Содержание к диссертации
Введение
1. Водно-физические и радиофизические характеристики почв. 12
1.1 Основные гидрофизические характеристики почв 12
1.1.1 Механический состав почвы 12
1.1.2 Формы почвенной влаги 15
1.1.3 Гидрологические константы 16
1.1.4 Испарение с поверхности почв 18
1.1.5 Миграция почвенной влаги при отрицательных температурах 19
1.2 Диэлектрические характеристики почв и влияние загрязнений 20
1.2.1 Комплексная диэлектрическая проницаемость 20
1.2.2 Модели КДП почвогрунтов 21
1.2.3 Факторы, влияющие на КДП почвогрунтов 25
1.3 Излучательные характеристики почв 28
1.3.1 Равновесное тепловое излучение 28
1.3.2 Модели радиотеплового излучения почвогрунтов 31
1.3.3 Влияние поверхностных шероховатостей на величину коэффициента излучения 34
1.3.4 Динамика радиояркостной температуры почв в процессах испарения, замерзания - оттаивания 37
1.3.5 Исследование гидрофизических характеристик почв дистанционным радиометрическим методом в процессах испарения, замерзания-оттаивания 39
1.4 Постановка задачи 45
2. Методика проведения экспериментальных и модельных исследований 46
2.1 Описание экспериментальной установки 46
2.1.1 Радиометрический комплекс 46
2.1.2 Тестовые участки 49
2.2 Методика экспериментального исследования 51
2.2.1 Калибровка радиометрического комплекса
2.2.2 Расчет радиояркостной температуры участков 53
2.2.3 Методика проведения натурных радиометрических измерений 54
2.2.4 Расчет погрешности измерений 58
2.3 Моделирование радиотеплового излучения почв 60
3. Суточный ход радиояркостной температуры почв при положительных температурах 63
3.1 Временной ход радиояркостной температуры гумусной и малогумусной почв в процессе испарения и инфильтрации влаги 63
3.2 Временной ход радиояркостной температуры почвы покрытой лесным опадом 77
3.3 Временной ход радиояркостной температуры почвы загрязнённой нефтепродуктами на различных этапах деструкции углеводородов 84
4. Суточный ход радиояркостной температуры почв в процессах замерзания и оттаивания 96
4.1 Суточная динамика радиояркостной температуры почв в последовательных циклах промерзания-оттаивания 96
4.2 Дистанционное определение глубины промерзания почвогрунтов 99
4.3 Суточная динамика радиояркостной температуры почв, загрязнённых нефтепродуктами, в процессах промерзания-оттаивания 109
4.4 Дистанционное определение связанной и свободной воды в почвах и оценка почвенных гидрологических констант 111
Выводы 121
- Диэлектрические характеристики почв и влияние загрязнений
- Исследование гидрофизических характеристик почв дистанционным радиометрическим методом в процессах испарения, замерзания-оттаивания
- Моделирование радиотеплового излучения почв
- Временной ход радиояркостной температуры почвы загрязнённой нефтепродуктами на различных этапах деструкции углеводородов
Введение к работе
Актуальность исследования
В настоящее время серьёзную экологическую, проблему представляет глобальное потепление климата и процессы, связанные с ним: изменяется среднегодовая температура, количество осадков, скорость и преимущественное направление ветра. Поскольку изменение указанных параметров приводит к довольно быстрому изменению структуры и качества почвы, возникает необходимость контроля за состоянием значительных площадей поверхности Земли.
Наиболее приемлемым и экономически выгодным способом контроля за состоянием почвы является использование технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основными преимуществами исследования почв дистанционным 'микроволновым методом являются глобальность, всепогодность, возможность получения информации в любое время суток.
В последние годы проводятся и планируются к проведению^ серии крупномасштабных экспериментов по исследованию влажности, почвы. Основной целью этих экспериментов является оценка- возможности дистанционного картирования влажных почв в планетарном масштабе с помощью радиометров сантиметрового и дециметрового диапазонов, установленных на космических аппаратах (программы SMOS и Aquarius). Большую роль в повышении точности определения влажности играет информация о гидрофизических и диэлектрических свойствах разных, в том числе и загрязнённых, почв, поэтому исследование методов, позволяющих оценивать эти свойства почв дистанционными радиометрическими методами, является актуальными.
При повышении температуры уменьшается среднегодовой период с отрицательными среднесуточными температурами, происходит уменьшение сроков нахождения почв в замёрзшем состоянии. Вследствие того, что процессы замерзания и оттаивания в арктических районах определяют до половины теплового баланса, актуальная информация об указанных
6 процессах представляет интерес для моделирования климата и изучении потоков тепла и влаги между подстилающей поверхностью и атмосферой.
Проведенные нами исследования показали возможность дистанционной оценки почвенных гидрологических констант, наличия загрязнителей (нефтепродуктов) на разных этапах деструкции, а также позволили разработать метод дистанционного определения связанной и свободной воды.
Цель исследования заключалась в разработке дистанционных радиофизических методов исследования гидрофизических характеристик почв.
Объектом исследования является суточная динамика излучательных характеристик разных почв в процессах испарения и инфильтрации, промерзания и оттаивания.
Задачи диссертационной работы:
Исследовать суточный ход радиояркостной температуры различных почв в процессах испарения и инфильтрации, промерзания и оттаивания.
Провести долгосрочные исследования радиофизических характеристик почв, загрязнённых нефтепродуктами в процессе деструкции углеводородов.
Разработать численные модели суточного хода радиояркостных температур почв в естественных процессах.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:
Показано, что амплитуда суточных колебаний радиояркостной
температуры почв в сантиметровом диапазоне, временной сдвиг
максимумов или минимумов коэффициента излучения относительно
максимумов или минимумов термодинамической температуры
определяются влажностью почвы и содержанием органики.
Впервые установлено влияние степени деструкции углеводородов почвы, загрязнённой нефтепродуктами, на временные и частотные зависимости радиояркостной температуры.
Впервые разработан дистанционный радиометрический метод раздельного определения количества свободной и связанной воды в почвах.
Разработаны и запатентованы методы более точного определения влажности и оценки почвенных гидрологических констант: влажности устойчивого завядания и максимальной гигроскопичности, используя данные радиометрических измерений до и после промерзания.
Впервые разработан способ оценки скорости увеличения толщины промерзающего слоя при наличии априорной информации о влажности почвы перед промерзанием.
Положения, выносимые на защиту:
Экспериментально измеренные характеристики суточных колебаний радиояркостных температур (амплитуда и временные сдвиги между коэффициентом излучения и радиояркостной температурой) в сантиметровом диапазоне.
Экспериментально измеренные частотные зависимости радиояркостной температуры почв, загрязнённых нефтепродуктами, зависящие от степени деструкции углеводородов, входящих в состав загрязнителей.
Дистанционный радиометрический метод раздельного определения связанной и свободной воды в почвах.
Способ повышения точности определения влажности почв дистанционным радиометрическим методом, основанный на измерении радиояркостной температуры до и после промерзания.
Дистанционный радиометрический метод определения влажности устойчивого завядания и максимальной гигроскопичности почв.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов для развития алгоритмов дистанционного восстановления гидрофизических характеристик почвогрунтов, и повышения точности определения влагосодержания почв, что в свою очередь может найти применение в сельском хозяйстве, метеорологии, климатологии.
Включённые в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ в рамках: НИР, включенных в план Минобразования (per. № 01.2.00 316426, № 01.2.00 01819), проекта "Разработка методов космической радиолокации и радиометрии территории Сибири" по Федеральной целевой программе «Интеграция» (per. № 01.2.00 316402) в течении 2002-2003 гг., НИР "Разработка новых высокоинформативных методов и программно-аппаратных средств микроволновой радиометрии для мониторинга биогеохимических циклов приполярных территорий Сибири шифр 2005 РИ. 12.0/001/008
Достоверность полученных результатов обеспечивается
использованием апробированных методов и подходов, подтверждается
согласием расчётных и измеренных значений, строгим учётом
погрешностей, совпадением ряда экспериментальных данных, с данными полученными другими исследователями.
В Главе 1 «Водно-физические и радиофизические характеристики почв» приводится обзор литературы по гидрофизическим характеристикам почв, влияния.
В разделе 1.1 рассмотрены гидрофизические характеристики различных типов почв, влияние на них содержания гумуса, рассматриваются особенности миграции влаги при положительных и отрицательных температурах.
В разделе 1.2 дано описание основных моделей комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) естественных почвогрунтов. Приведены литературные данные о влиянии на КДП почв
гранулометрического состава, содержания гумуса, различных загрязнений; изменении КДП при отрицательных температурах .
Диэлектрические характеристики почв и влияние загрязнений
Одной из важных электродинамических характеристик почвогрунтов, влияющих на их радиотепловое излучение в микроволновом диапазоне, наряду с температурой и структурой поверхности, является комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) є = є -іє", где s} — действительная часть диэлектрической проницаемости, характеризующая скорость распространения электромагнитных волн в среде, є" — мнимая часть диэлектрической проницаемости, характеризующая диссипативные потери в среде. Знание зависимостей КДП от влажности и частоты является необходимым условием для определения влажности исследуемого слоя по данным радиометрических измерений. В оптическом диапазоне свойства диэлектриков принято характеризовать показателями преломления п и поглощения к Комплексный показатель преломления (КПП) равен: КДП почвогрунтов определяется диэлектрическими свойствами слагающих почву компонент: воздуха, твёрдой фазы, свободной и связанной воды. Также КДП является функцией гранулометрического состава, частоты, температуры, плотности, содержания гумуса и примесей. Основной вклад в величину КДП почвы даёт вода, однако степень её влияния зависит от формы почвенной влаги. 1.2.2 Модели КДП почвогрунтов В литературе имеются сведения о большом числе диэлектрических моделей влажных почв. Так, в [43, 49, 63, 64, 134] приводятся результаты анализа более десятка формул смесей. Обзор и сравнительный анализ нескольких релаксационных моделей диэлектрических свойств свободной воды для задач дистанционного зондирования представлен в работе [133]. Автор отмечает, что большая часть этих моделей является модернизацией полуэмпирических зависимостей некоторых параметров в модели Дебая или Коула-Коула с использованием новых экспериментальных данных. Наиболее распространенными являются матричные и рефракционные модели. По количеству учитываемых компонент почвы все модели можно разделить на 2-х, 3-х и 4-х компонентные. В 2-х компонентных моделях почва представляется в виде смеси твёрдой фазы почвы и воды. 3-х компонентные модели включают воздух, твердые частицы и свободную воду [133].
В 4-х компонентных моделях КДП учитывается наличие в почве воздуха, твердых частиц, свободной и связанной воды [24, 49, 105]. В ранних исследованиях для моделирования КДП почв использовалось выражение вида: где seff- диэлектрическая проницаемость почвы, } - КДП / компоненты почвы, Wi - объемное содержание / компоненты, а - показатель, определяющийся типом модели. При значении параметра а=\ модель носит название линейной, при значении а = Уг для двухкомпонентной смеси выражение называется формулой Брауна, при значении а = х/г для произвольного числа компонент формулой Бирчака, а модель в таком случае именуется рефракционной. До 1980 года было принято считать влажную почву как смесь, состоящую из жидкой фазы, содержащей твердые частицы почвы, трещины внутри которых заполнены водой. В предложенной «полудисперсионной модели» Бруггемана [54], КДП образца почвы рассчитывается поэтапно по нижеследующей формуле, представляя воду как в виде дисперсионной, так и в виде матричной среды: где es, є0, є,— ДП смеси, среды и включений (воды), / = 7з - коэффициент деполяризации в направлении поля, УІ — это объемная доля дисперсных частиц. Впервые рассматривать почву в виде четырёхкомпонентной смеси, состоящей из воздуха, твердых частиц, свободной и связанной воды предложили авторы работы [49]. В данной модели впервые учитывалось свойство двухфазности воды в почве. Wt — это влажность, соответствующая переходу от преобладающего влияния связанной влаги к преобладающему влиянию свободной влаги. Для влажности почвы (W,) ниже точки переходной влажности (Wt) предполагается, что вода в почвах ведет себя как лед и, следовательно, КДП связанной воды принимается равной диэлектрической постоянной льда. Данная модель дает следующие выражения для КДП водно - почвенной смеси: где P — это пористость сухой почвы, Єа, 8bw,ew, єт и є, - диэлектрические постоянные воздуха, связанной и свободной воды, твердых частиц почвы и льда, соответственно, у — это параметр, который выбирается для лучшего соответствия формул (1.2.3) или (1.2.4) по отношению к экспериментальным данным. Для мнимой части КДП на низких частотах необходимо добавить проводимость потерь, и тогда мнимая часть КДП определится из выражения: є,"=є"+єа"=є"+60Л(г, где и— это ионная проводимость (в сименс/см), 1 — это длина волны в см. Кроме описанной выше, авторами работы [49] была предложена и другая модель, в которой є, єа, Sbw, ew, s, и єт замещены на соответствующие показатели преломления.
При этом КДП связанной воды в этих моделях, по мнению авторов, равнялась КДП льда при нулевой влажности и возрастала до КДП свободной воды в. точке перехода. Значение влажности, соответствующей точке перехода, предлагалось устанавливать опытным путём на основании лучшего соответствия расчетами по модели. В настоящее время за рубежом широко используется модель Добсона [11]. Согласно этой модели диэлектрическая проницаемость почвы рассчитывается с помощью следующего выражения: где Vf - объем всей воды в почве, Vbw - объем связанной воды, /? -эмпирическая постоянная, зависящая от структуры почв. Значение а = 0,65, по мнению авторов [11], хорошо соответствует действительности. Окончательный вид формула (1.2.5) для почвы с плотностью р и плотностью твердых частиц почвы рт принимает вид: где значение ет рассчитывается по формуле: єт = (1,01 + 0,44pm) — 0,062 и составляет, соответственно, значение ет 4,7; sw рассчитывается по модели Дебая с учетом эффективной проводимости ое$ являющейся эмпирической функцией структуры почвы. Используя значения а = 0,65 при оптимизации выражения (1.2.5) для каждого типа почвы, авторами [11] были получены следующие значения /?: Р = (127,48-0,519S-0,152 С)/100; Р"= (1,33797-0,603 S- 0,166 С)/100; где и С - процентное содержание песка и глины в почве. Несколько иной способ учёта плотности приведён в работах [22, 23]. Авторы этих работ делают вывод, что введение поправки на плотность позволяет улучшить соответствие модели экспериментальным данным, т.к. это приводит к изменению соотношения между объемными долями воздуха и твердой фазы, а также к изменению удельной поверхности и, как следствие, к изменению максимального количества связанной влаги. Автором [125] было доказано, что диэлектрические постоянные льда и связанной воды существенно различаются, и при расчетах необходимо учитывать диэлектрическую постоянную именно связанной воды.
Исследование гидрофизических характеристик почв дистанционным радиометрическим методом в процессах испарения, замерзания-оттаивания
Исследование природных объектов пассивным радиометрическим методом было начато в Институте радиотехники и электроники АН СССР более 30 лет назад по инициативе академика А.Е. Башаринова. В ряде основополагающих работ, выполненных сотрудниками ИРЭ [62, 63, 64], были сформулированы основные принципы радиометрического зондирования почв и водной поверхности. Значительный объем работ по исследованию радиотеплового излучения почв был выполнен также в Главной геофизической обсерватории им. И.И. Воейкова под руководством академика К.Я. Кондратьева [106, 107, 135, 136]. Пик интенсивности исследований наблюдался в 70-80-е годы, когда в ИРЭ под руководством д.т.н. Н.А. Арманда и д.т.н. A.M. Шутко был выполнен цикл экспериментальных и теоретических работ по исследованию радиофизических характеристик природных образований [43, 58, 59, 60, 61, 120, 121, 129, 130, 134], а в Институте космических исследований под руководством д.ф;-м.н. В;Є. Эткина - по исследованию излучательных свойств водной поверхности [92, 93, 94 , 108]. За рубежом применение активных и пассивных СВЧ методов исследования окружающей среды началось несколько позднее, чем в СССР, но в. настоящее время они проводятся широким фронтом с применением самых современных радиотехнических и вычислительных средств Долгое времяг основной целью радиометрического зондирования почв было измерение влажности почв. Основные результаты опубликованы в работах [28- 46, -48, 134]. В связи с развитием техники и методики1 интерпретации- данных; метод стал использоваться; для? определения таких характеристик, почв которые оказывают влияние на ее диэлектрическую проницаемость или на; поверхностную шероховатость. Вопросу исследования» гидрофизических характеристик почві дистанционными? методами; посвящено; незначительное количество работ. Как уже отмечалось выше,- основными параметрами от которых зависит, радиорякостная: температура- являются влажность почвы; (её КДЩ температура, величина шероховатости: поверхности: Одновременное восстановление указанных величин по? однократным измерениям, радиорякостной температуры на одной длине волны является затруднительным даже в том случае, если почву можно считать однородной изотермической средой.
Восстановить неизвестные параметры поверхности возможно в том случае, если некоторые из них априори- известны (температура поверхности на начальном этапе процесса замерзания, шероховатость после длительного увлажнения, и т.д.). В случае неоднородных профилей температуры и влажности задача восстановления гидрофизических параметров почвы на основании однократных измерений Тя ещё болееусложняется, вследствие комплексной шрироды модели излучения. Однако: увеличение числа каналов,, на которых, происходит измерение Тя, и времени измеренийшозволяет устранить это затруднение; Основой любого метода восстановления параметров почв является взаимосвязь между гидрологическими моделями, моделями собственного радиотеплового излучения и временным ходом Тя в процессах увлажнения и высыхания [6, 10, 38]. В зависимости от состояния исследуемого объекта и целей дистанционных исследований применяют тот или иной частотный диапазон. В) работе [2]- авторы пытались установить корреляцию между влажностью в слое 0-5 см и радиояркостной температурой на частотах 5 ГГц и 1,4 ГГц для почв, не покрытых растительностью и с малым содержанием гумуса.(1,96%). Вследствие того, что в пределах глубины зондирования, на частоте 1,4 ГГц оказался практически, весь исследуемый слой, корреляционная зависимость между величиной радиояркостной температуры и влажностью на этом диапазоне оказалась выше. В работе [32] показано; что для дистанционного определения влажности почвогрунтов, покрытых растительностью, наиболее всего подходит диапазон 1,4 ГГц, в то время как диапазон 6,8 ГГц является- наиболее привлекательным для определения-влажности растительного слоя. Похожие выводы, были получены авторами работы [18] для частот 1,4, 19 и 37 ГГц. Диапазон 19 и 37 ГГц оказался чувствительным к влажности растительного покрова, в то время как 1,4 ГГц к влажности почвы, не покрытой растительностью. В работе [19] установлена высокая корреляционная зависимость между влажностью почвы в слое 0-5 см, покрытой посевами пшеницы, и измеряемой радиояркостной температурой на частоте 1,4 ГГц. Причем, согласно данным, лучшая корреляция обнаружена при измерении на горизонтальной поляризации и угле зондирования 30 - 40. На частоте 10,65 ГГц такой зависимости обнаружить не удалось, что, вероятно, объясняется не только низкой прозрачностью растительности в этом диапазоне, но и гораздо меньшим эффективно излучающим слоем, чем для этой частоты. Дистанционному исследованию поверхности почвогрунтов при отрицательных температурах посвящено ограниченное число работ. Это связано с определенными? трудностями в.. проведении натурных экспериментов. Одной изг немногих работ посвященных исследованию излучательных характеристик почв находящихся при отрицательных температурах является: [81]. Большая их часть работ представляет собой описание результатов исследований по определению толщины снежного покрова на поверхности замёрзшей почвы и влагосодержанию снега.
В основе методов лежит зависимость поляризационных характеристик и частотных контрастов от толщины и влажности снежного покрова. Авторы [34, 35]; выявили зависимость между влагосодержанием в; снеге и радиояркостным контрастом на вертикальной и горизонтальной поляризациях на частотах 195 ГГц и 37 ГГц. Показано; что при увеличении влагосодержания в снеге увеличивается: абсолютная- величина и разность радиояркостных температур на горизонтальной и вертикальнойщоляризациш В работе: [13Г] приведены результаты поляризационных измерений, коэффициента;отражения! слоя: снега: на; частотах 6,9; 18:,7,.21,. 35= и 94 ГГц; Показано; что? поляризационная разность- растёт с увеличением толщины снежного покрова и зернистоти снега. Влияние промерзания одновременно на яркостную температуру и коэффициент обратного рассеяния, впервые изучено авторами работы [51]. Показано, что скорость изменения радиояркостной температуры при промерзании зависит от длины волн. Контраст радиолокационных и радиояркостных изображений замерзших и незамерзших почв падает при уменьшении влажности почвы. Если в почве отсутствует свободная вода, то диэлектрическая проницаемость почвы изменяется только за счет замерзания связанной воды, которое начинается: при температурах. — 4-5 G и происходит не так резко, как замерзание свободной воды. В работе [56], исследуются критерии, по; которым возможно: определение зон замерзания малоувлажненных почв радиометрическимг методом; На основании проведённого кластерного анализа выявлены условия для дистанционного определения замёрзших областей и их отделения от сухих незамёрзших. Однако не менее важным представляется исследование собственно процессов промерзания/оттаивания, поскольку в этих процессах изменяются не только диэлектрические характеристики почв, но характер переноса тепла и влаги в почвенном профиле. В работе [55] представлена модель движения тепла и влаги в почве и рассчитаны временные зависимости радиояркостной температуры на частотах 19,35, 37,0, и 85,5 ГГц. Указано, что на высоких частотах практически невозможно восстановление влажности почв из-за сильного влияния поверхностной шероховатости. Не менее важным вопросом является1 определение глубины промерзания почвогрунтов дистанционными методами.
Моделирование радиотеплового излучения почв
Радиояркостную температуру изотермической плоскослоистой среды» с резкими границами можно рассчитать через коэффициент отражения плоской волны от такой среды: где Т - термодинамическая температура среды, R - комплексный коэффициент отражения по мощности. Коэффициент отражения многослойной структуры вычисляется путем многократного применения выражения для коэффициента отражения от двухслойной среды [85], имеющего в случае гладкой верхней границы вид где Го - коэффициент отражения многослойной среды на границе почва-воздух, г0 — френелевский коэффициент отражения на этой границе, г/ — коэффициент отражения многослойной среды, лежащей ниже первого слоя и определяемый по аналогичной формуле; А, = к є-sin2 в, AZ - волновое число и толщина первого слоя соответственно, є - комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) слоя, в - угол зондирования. Профиль диэлектрической проницаемости определялся отдельно для каждого из модельных случаев. Поскольку относительная полоса пропускания радиометров комплекса №1 и №2 не превышала 2 %, расчет радиояркостной температуры осуществлялся лишь на центральных частотах радиометров. Анализ влияния диаграммы направленности антенн показал, что интегрирование по диаграмме даёт увеличение радиояркостной температуры на горизонтальной поляризации не более чем на 1К для комплекса №1 и на ЗК для комплекса №2. Поскольку это различие не превышает погрешности абсолютной калибровки радиометров, для уменьшения объёмов вычислений радиотепловое излучение принимаемое антенной представлялось плоской электромагнитной волной. В процессе выполнения программы выполнялись несколько вложенных циклов, переменные которых определяли вид функции, описывающей профиль диэлектрической проницаемости: минимальные и максимальные значения, точки перегиба функции и т.д. По окончании выполнения программы имелся массив, включающий в себя значения Тя и соответствующие им переменные, определяющие профиль диэлектрической проницаемости. В дальнейшем производилась обработка массива данных с целью нахождения наиболее достоверных данных. На рисунке 2.6 приведена блок-схема, качественно описывающая работу программы. Летом временной ход радиояркостной: температуры, (!ГЯ) определяется изменением термодинамической температуры и влажности, верхнего слоя ,-почвы.
Суточные колебания влажности почвы.. обусловлены испарением; с поверхности: в светлое время суток испарение превышает поток влаги из нижележащих слоев, вследствие чего, происходит уменьшение объёмной влажности почвы; а ночью-испарение практически отсутствует, что приводит к некоторому увеличению объёмной влажности:. Испарение с поверхности почвы, зависит от метеоусловий- и в значительной мере от гидрологических свойств почвы, которые; в свокиочередь, обусловлены, структурой-почвы, её гранулометрическим составом; влажностью;, наличием, загрязнителей: т примесей.. Таким образом;, при: идентичных метеоусловиях наблюдается взаимосвязь- временного хода радиояркостной температуры: и гидрологических свойств почв, что может быть положено в основу алгоритма восстановления гидрологических характеристик почв, на основе данных, полученных дистанционными микроволновыми методами. Однако; как уже было отмечено в параграфе 1.3.5, вопрос исследования гидрологических характеристик почв дистанционными методами изучен слабо. Є целью исследования динамики радиояркостной температуры почв при: положительных температурах в течение 2005-2008; гг. нами: была проведена серия- экспериментов. Измерениж проводились как с использованием; комплекса №1, так и комплекса №2 (см. раздел 2.1.1). Тестовые участки представляли собой почвы, значительно отличающиеся; по своим гидрологическим характеристикам. Так, полигон № Г включал в свой состав четыре тестовых участка: богатую гумусом почву (участок АЛ), бедную гумусом почву (участок А.2), песчаную-почву (А.З), почву богатую гумусом, загрязнённую нефтепродуктами (участок А.4). Полигон №2 включал три тестовых участка: участок Б Л представлял собой почву естественного сложения; участок Б.2 почву естественного сложения с поверхности, которой был удалён гумусный: слой; участок Б.З почву естественного г сложения, покрытую хвойным опадом толщиной 1-1,5 см. Гранулометрический состав почв тестовых участков; содержание в них солей и гумуса приведено в разделе 2.1.2.
На рисунке 3.1 представлен временной ход радиояркостной температуры участков Б. 1 и Б.2. Завремя проведения эксперимента погодные условия существенно изменялись. В моменты- времени с 3% августа по. 3-сентября- и с 6 по 13 сентября стояла сухая;; тёплая погода без; выпадения: осадкові в- виде дождя, что способствовало изучению влияния;» гидрофизических характеристик почвогрунтов на временной ход радиояркостной температуры в процессе: испарения почвенной влаги. В период с 3? по 6 сентября и с 13 по 16 сентября происходило выпадение дождя, что позволило изучить влияние гидрофизических характеристик почвогрунтов на временной ход радиояркостной температуры в процессе инфильтрации влаги (см. рисунки 3.2, 3.3, 3.4 ). В процессах инфильтрации, во время выпадения осадков, радиояркостная температура почвы участка Б Л уменьшается сильнее, чем радиояркостная температура почвы участка Б.2, что связано с различными водоудерживающими свойствами почв данных участков. Почва с более высоким содержанием гумуса имеет большую пористость и, как следствие, большую влагоемкость. В- радиотепловом излучении это различие сильнее проявляется на вертикальной поляризации. Как можно видеть из приведённых данных, временной ход яркостной температуры зависит от содержания органического вещества (гумуса) в почве. Различия проявляются как на этапе испарения - максимальные значения радиояркостной температуры участка Б.1, с высоким содержанием гумуса, в процессе испарения выше как на вертикальной, так и на горизонтальной поляризации. Подобное явление объясняется тем, что вследствие меньшего коэффициента отражения в оптическом диапазоне почва с более высоким содержанием гумуса в дневное время сильнее нагревается. Разность термодинамических температур участков Б.1 и Б.2 на глубине 1 см составляет в эти часы 1-3 К (см. рисунок 3.5). Кроме того, из-за более высокой пористости поверхностный слой гумусной почвы высыхает быстрее (см. рисунок 3.6).
Временной ход радиояркостной температуры почвы загрязнённой нефтепродуктами на различных этапах деструкции углеводородов
Разработка нефтяных месторождений, транспортировка и переработка нефтепродуктов серьёзно сказываются на окружающих геосистемах. Вследствие аварий происходят крупномасштабные разливы нефти и её производных. Значительные площади водной поверхности и поверхности суши становятся зонами экологического бедствия. В настоящий момент существует множество способов выявления областей нефтяного загрязнения. К ним можно5 отнести сканирование поверхности в ультрафиолетовом и ИК диапазонах, радио- и лазерную локацию,, микроволновое радиометрическое зондирование.. Радиометрические методы, исследования: зон нефтяного загрязнения развиты в гораздо меньшей степени. Не: выяснено, в частности,, влияние деструкции: нефтепродуктов на радиояркостные характеристики; почвы. В1 течение 2004-2006 гг.; нами изучалось, влияние- загрязнений на динамику радиояркостной температуры; Выбор масла в качестве загрязнителя обусловлен тем, что в процессе; производства масла очищаются: качестве загрязнителя» моторного масла как субстрата углеводородов; не содержащего метан-нафтеновых, и; смолистьтх фракций, позволило сократить-сроки: натурного» эксперимента.. Загрязнение почвы производилось путем: распыления-масла-над воздушно сухой почвою с шероховатойщоверхностью;. Вначале; таким образом; было внесено/масло;эквивалентным?СЛОЄМЕ2!,7 ММ;.ВІ результате впитывания масла загрязненным, оказался/ слой почвы толщиной 3-4: см, степень загрязнения в среднем составила: 7,5% в объемных долях; (этот этап в дальнейшем упоминается;как первый Этап загрязнения) . Затем в-течение-двух месяцев-было проведено 5 экспериментальных циклOBS«полив-испарение». После этого поверхность почвы была дополнительно загрязнена эквивалентным слоем 1,3 мм. В итоге загрязненным оказался поверхностный слой толщиной 4-5 см, степень загрязнения: составила около 9% (в дальнейшем второй этап загрязнения). На рис. 3.19 приведены результаты экспериментов, проводившихся при различной толщине загрязнённого слоя.
Как можно видеть, яркостные температуры (7я) загрязнённого и незагрязнённого участков перед поливом: практически не отличались. После увлажнения участков, одинаковым;слоем воды. (20- мм) яркостнаяї температура незагрязнённого участка снизилась на всех длинах волн до величины 140-150 К. Яркостная температура загрязнённого участка заметно снизилась лишь на длине волны 11 см и имела величину 180 К при толщине загрязненного слоя 3-4 см (рисунок 3.19а). Снижение яркостной температуры участка при большей толщине загрязненного слоя было еще меньше (рисунок 3.196). Такое различие в излучательных характеристиках загрязненного и чистого участков обусловлено сильным изменением структуры поверхностного слоя почвы при загрязнении. Поверхностные почвенные агрегаты, загрязненные маслом, перестают впитывать воду и не распадаются при поливе, поэтому структура шероховатости поверхности не изменяется. Из-за сильных водоотталкивающих свойств поверхностный слой загрязненной почвы увлажняется мало, а большая часть воды впитывается нижележащей незагрязненной почвой, поэтому полив загрязненной почвы привел к заметному снижению радиояркостной температуры только на длине волны. 1Г см, глубина зондирования на которой выше, и на яркостную температуру оказывает влияние нижележащий слой влажной незагрязнённой почвы. Увеличение толщины загрязнённого- слоя, приводит к меньшему падению яркостной температуры при-поливе. Наличие загрязнителя сказывается на испарении почвенной влаги, а следовательно на временном ходе радиояркостной температуры. На рисунке 3.20 показана динамика радиояркостной температуры в течение нескольких часов после полива. Из рисунка видно, что Тя непосредственно- перед поливом имела среднюю величину 285 К. Существенное различие яркостных температур на разных длинах волн перед поливом свидетельствует о значительных градиентах влажности в поверхностных слоях почв и может быть охарактеризовано нормализованной разностью радиояркостных температур [77]: МВТ=(Тя1-Тя2)/(Тя1+Тя2), где Тя],. ТЯ2 - яркостные температуры на длинах волн 11 см и 3,6 см соответственно. На рисунке 3.21 представлены временные зависимости NDT, полученные при различной степени загрязнения. Как можно видеть из представленных данных, почвы, загрязненные нефтепродуктами, отличаются от чистых почв большими по модулю отрицательными значениями NDT в период после значительного увлажнения и большей скоростью изменения этой величины. Период существования таких значений, вычисляемых на длинах волн 3.6 и 11 см, составляет не менее суток. В таблице 3.1 приведены максимальные (по модулю) значения NDTmax, достигаемые через несколько часов после полива, а также скорости изменения этой величины во времени ANDT/t , определяемые сразу после достижения максимумов (по модулю) в экспериментах, результаты которых приведены на рисунке 3.20. Хотя эксперименты, проводились при различающихся, метеоусловиях, значения NDTmax и ANDT/t чистой почвы различаются незначительно.
Это позволяет сделать вывод о том, что различия, в значениях NDTmax ш ANDT/t загрязненной: почвы определяются, в основном, свойствами самой почвы. Как уже отмечалось, значительное различие в NDT для чистых и загрязненных почв наблюдалось в экспериментах, когда толщина загрязнённого слоя была меньше глубины зондирования?на длине.волны \\ см (июнь 2004). При увеличении толщины загрязненного слоя (эксперимент в июле 2004- г.) влияние влажного нижележащего слоя незагрязненной почвы на излучение на длине волны; 11 см; ослабляется, и значения NDTmax и ANDT/t загрязненной) почвы мало отличаются от. соответствующих значений; для; чистой почвы. В этих случаях излучение загрязненною почвы отличается от чистой только? более: высокими значениями радиояркостных температур на всех рабочих длинах волн?радиометров и большей скоростью, изменения этош величиньь Следующий экспериментальный цикл проводился через 2 года. По данным эксперимента 2006 г. (см. табл. 3.1), NDTmax и ANDT/t загрязненной почвы; вновь стали сильнол отличаться от соответствующих значений для чистой почвы. По-видимому, это связано с уменьшением толщины гидрофобного слоя вследствие процессов деструкции углеводородов. Можно предположить, что на нижней границе загрязнённого слоя почвы процессы: окисления нефтепродуктов идут быстрее, чем в самом слое или на его верхней границе. Оценить визуально толщину слоя оказалось практически невозможным, так как почвенные агрегаты, первоначально пропитанные маслом, с течением времени разрушились и почвенная структура стала внешне мало отличаться от структуры незагрязненной почвы. Только плотность поверхностного слоя загрязненной почвы стала немного меньше (0,9-1 г/см у загрязнённой и 1,05-1,15 г/см у незагрязнённой). Именно этим можно объяснить более высокую скорость изменения NDT (а значит, и более интенсивное испарение) в сравнении с чистой почвой и даже свежезагрязненной почвой. Описанные выше эксперименты, проведены с почвой, загрязненный слой которой находился в рыхлом состоянии. Зачастую при высокой степени загрязненности нефтепродуктами на поверхности почвы образуется корка с низкой водопроницаемостью. Такая корка на поверхности исследуемого участка обнаружилась весной 2005 года после схода снежного покрова. Измерения радиояркостной температуры проводились через незначительный промежуток времени после схода снега, что определяло слабое изменение структуры загрязнённой почвы в период между таянием снега и, началом эксперимента.
