Введение к работе
Актуальность.
Дистанционное измерение характеристик подстилающих поверхностей Ссуши, моря, лесов, пашни, снега и т. д.) в СВЧ-диапазоне волн играет большую роль в изучении земной поверхности и мирового океана, как в общетеоретическом, так и в прикладном аспектах. Использование аэрокосмических комплексов наблюдения позволяет оперативно получать глобальную информацию о состоянии земных покровов независимо от погодных условий 1,23.
Одним из наиболее важных объектов дистанционного зондирования являются почвы, изучение которых чрезвычайно актуально в связи с необходимостью определения влагозапаса. Дистанционные исследования характеристик почв были начаты с середины 60-х годов. Успех подобных исследований связан, во-первых, с созданием высокочувствительной исследовательской аплараратуры, специально предназначенной для проведения дистанционного зондирования подстилающих поверхностей, и, во-вторых, с созданием эффективных методик расшифровки полученных экспериментальных данных.
Интерпретация экспериментальных данных, полученных при дистанционном зондировании, сопряжена со значительными трудностями, связанными с тем, что физико-механические и электрофизические характеристики почв, как и других природных объектов, одновременно зависят от значительного числа факторов, и вклад каждого из них с трудом поддается теоретической оценке. Выход из этого положения может быть найден, в частности, путем проведения лабораторных исследований.В этом случае можно попытаться изучить вклад в собственное радиоизлучение каждого фактора в отдельности, считая вклад других пренебрежимо малым или достоверно известным.
Исследования влияния влажности на диэлектрические и излуча-тельные характеристики песка различной дисперсности при отрицательных температурах [3,4] показали, что чистый песок, увлажненный дистиллированной водой является сложной многокомпонентной системой, включающей разные типы воды и льда. В частности, обнаруженный аномальный рост диэлектрической проницаемости при понижении температуры в определенном диапазоне влажностей свидетельствует о том, что в мерзлом песке могут присутствовать компоненты с высоким значением диэлектрической проницаемости. Авторами Г3.43 было высказано предположение, что такой компонентой является лед, образованный из связанной воды и обладающий сегнетоз-
лектрическими свойствами. Однако в С 3,4] не проанализированы физические механизмы, которые могут привести к такому эффекту, не посторена модель мерзлого песка. Не рассматривалось также влияние внешних факторов на возникновение указанных компонент. Поэтому следующим шагом исследований должно являться установление физических причин возникновения льда с высоким значением диэлектрической проницаемости, постороение модели, учитывающей указанный эффект, а также исследование влияния на него внешних факторов, в частности, засоленности.
Засоление почв является одной из важнейших проблем орошаемого земледелия [5]. Засоленные почвы занимают ~ 100 млн. га территории нашей страны. В настоящее время из-за засоления почв земледельцы теряют до 25% урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому дистанционное определение степени засоленности почв приобретает весьма важное значение. Однако на сегодняшний день отсутствуют апробированные методики определения физико-механических параметров засоленных почв по их радиофизическим характеристикам.
из вышесказанного следует, что лабораторные исследования электрофизических характеристик засоленного песка являются актуальной задачей. При этом наибольший интерес представляет изучение связи между уровнем засоленности, электрофизическими свойствами и радиофизическими характеристиками исследуемого объекта. Наряду с общетеоретическим значением такие исследования имеют и прикладной характер, т. к. дают возможность повысить точность определения уровня засоленности и динамики засоления почв.
Целью диссертационной работы являлось:
лабораторные исследования элетрофизических характеристик засоленного песка в СВЧ-диапазоне волн при положительных и отрицательных температурах, а также вариаций этих характеристик при изменении температуры, влажности и засоленности;
исследование корреляции между диэлектрическими и радиофизическими свойствами песка в указанных выше условиях;
построение физической модели диэлектрической проницаемости песка при отрицательных температурах;
выяснение роли связанной воды в обнаруженном аномальном поведении диэлектрической проницаемости песка при отрицательных температурах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1.В лабораторных условиях детально изучены диэлектрические и радиофизические характеристики песка в широком диапазоне температур, значений власностей и засоленностей.
2. Обнаружено и исследовано влияние засоленности на немонотонное поведение электрофизических характеристик песка при отрицательных температурах.
3.Экспериментально получена зависимость температуры замерзания влаги в песке от уровня его засоленности.
4. Предложено качественное объяснение немонотонного поведения электрофизических характеристик засоленного песка от влажности при комнатной температуре на основе особенностей кристаллизационных процессов в растворах.
5.Экспериментально доказана определяющая роль связанной воды в возникновении аномального поведения диэлектрической проницаемости песка при отрицательных температурах.
6.Изучены некоторые особенности образования льда из связанной воды в песке. Предложена электродинамическая модель мерзлого песка, объясняющая немонотонное изменение его диэлектрической проницаемости при отрицательных температурах.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
1. Разработана и создана измерительная установка, позволяющая проводить исследования диэлектрических и излучательных характеристик почв по оригинальным методикам в широком диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, используя для этого прямоугольные волноводы различных сечений, а также стенды для выполнения этих исследований в диапазоне температур от +50 до -25С.
2.Экспериментально установлена высокая степень корреляции значений радиояркостной температуры и диэлектрической проницаемости засоленного песка в широком диапазоне изменения температур и влажностей.
3.Показана возможность определения уровня засоленности почв по положению пика на зависимости диэлектрической проницаемости от влажности при положительных температурах.
4. Показана общность поведения вариаций радиояркостной температуры засоленного песка и реальной песчанкой почвы, при изменении внешних параметров.
Достоверность полученных результатов обеспечивается исполь-
зованием современной аппаратуры, применением апробированых методик измерений, разумным согласием полученных экспериментальных данных с теоретическими, а также имеющимися литературными данными.
Апробация работы.
Основные материалы диссертации докладывались на международном симпозиуме "International Geoscience and Remote Sensing Symposium" CPasadena, USA, 1994 г.), XVII конференции по распространению радиоволн СУльяновск, 1993 г.), научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1993 г.), на научных семинарах ИКИ РАН и ИРЭ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Объем работы составляет 151 стр. печатного текста, включая 48 стр. рисунков и таблиц. Список литературы содержит 117 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
