Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидрофизические и диэлектрические свойства почв. Дистанционное изучение почв 14
1.1. Состав почвы 14
1.2. Водно-физические свойства почв 18
1.2.1. Свойства почвенной влаги
1.2.2. Влагопроводность. Инфильтрация 21
1.2.3. Капиллярно-сорбционный потенциал
1.3. Испарение почвенной влаги 38
1.4. Модели диэлектрических характеристик почв и влияние загрязнений 46
1.5. Излучательные характеристики почвогрунтов и радиометрический метод дистанционного зондирования почв
1.5.1. Яркостная температура и коэффициент излучения 55
1.5.2. Учет влияния поверхностных неровностей 59
1.5.3. Дистанционные радиометрические методы исследования свойств почв 61
1.6. Выводы и постановка задач. 71
Глава 2. Методика проведения эксперимента 73
2.1. Описание исследуемых образцов почвогрунтов 73
2.2. Измерение огх з
2.3. Измерение максимальной гигроскопичности 77
2.4. Измерение наименьшей влагоемкости 78
2.5. Измерение коэффициента фильтрации 79
2.6. Описание экспериментальной радиометрической установки и исследуемых участков 82
2.7.калибровка радиометрического комплекса и расчет радиоярко стнои температуры исследуемых участков 87
2.8. Методика определения влажности и температуры исследуемых участков 89
2.9. Расчет погрешности измерений радиояркостнои температуры 90
2.10 описание лабораторных установок и методов измерения диэлектрической проницаемости почв 90
2.11. Метод определения дп почв по модулям коэффициентов отражения и прохождения диэлектрического слоя. Расчет погрешностей измерения дп 97
Глава 3. Исследование связи диэлектрических и гидрологических характеристик почв 101
3.1. Связи диэлектрических и агрогидрологических констант с гранулометрическим составом и содержанием гумуса 102
3.2. Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды от ее количества 112
3.3. Связь параметров рефракционной модели диэлектрической проницаемости с агрофизическими константами 119
3.4. Исследование моделей огх. 126
Выводы 134
Глава 4. Исследование свойств почв радиометрическим методом 136
4.1. Градиенты влажности и их динамика в процессе испарения и инфильтрации в разных типах почв 137
4.1.1. Методика расчета градиентов влажности профилей почв с различным содержанием гумуса 139
4.1.2. Результаты моделирование градиентов влажностеи почв с различным содержанием гумуса
4.2. Оценка влагопроводности и испарения многочастотным радиометрическим методом 144
4.3. Оценка тепловых потоков по метеорологическим параметрам и микроволновым радиометрическим данным 148
Выводы. 153
Заключение 154
Список литературы
- Влагопроводность. Инфильтрация
- Измерение максимальной гигроскопичности
- Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды от ее количества
- Результаты моделирование градиентов влажностеи почв с различным содержанием гумуса
Введение к работе
Актуальность исследования.
Интенсивно развиваемые в последние годы аэрокосмические методы исследования Земли включают микроволновый радиометрический метод, обладающий рядом преимуществ всепогодностью, более глубоким проникновением в исследуемую среду (по сравнению с оптическим методом), высокой информативностью и др Только этим методом, в сочетание с математическим моделированием, может быть решена задача оперативной оценки динамики почвенной влаги на больших территориях и задача обновления баз данных почв Это возможно благодаря зависимости радиоволновых свойств почв от количества и распределения влаги в поверхностном слое.
При дистанционном исследовании почв микроволновыми методами необходима информация о их диэлектрических свойствах Эти свойства значительно различаются у разных типов почв, что определяется в первую очередь различным содержанием связанной воды и ее диэлектрическими свойствами, различными в разных типах почв. Ввиду трудоемкости отбора почвенных образцов и измерений их диэлектрической проницаемости задача создания баз данных о диэлектрической проницаемости почв на больших территориях является практически нереализуемой
В то же время хорошо изучены и известны для значительной части почв сельскохозяйственного назначения физические и гидрологические характеристики гранулометрический состав, содержание гумуса, максимальная гигроскопичность, наименьшая полевая влагоемкость и др Актуальной является задача создания такой диэлектрической модели, входными параметрами которой являлись бы агрофизические константы За рубежом широко используется диэлектрическая модель Добсона, входными параметрами которой являются гранулометрический состав и плотность почвы Однако эта модель, во-первых, не обеспечивает необходимой точности, так как построена на основе данных о свойствах только пяти образцов почв, во-вторых, не учитывает содержание гумуса, который в значительной степени влияет на гидрофизические и диэлектрические свойства почв, в-третьих, непригодна к применению на территории России, так как основана на классификации почв, принятой в Американском департаменте сельского хозяйства (USDA) и отличающейся от российской классификации
Дистанционный радиометрический метод перспективен также для оценки пространственного распределения потоков тепла и влаги из почвы в атмосферу - информации весьма необходимой для повышения достоверности климатических моделей Однако существующие дистанционные методы оценки испарения основаны на измерении динамики влаго-содержания тонкого поверхностного слоя за достаточно длительный период времени Градиентные методы позволили бы определить испарение
за короткие промежутки времени, поэтому актуальной задачей является разработка и верификация дистанционного метода определения градиентов влажности в поверхностном слое Кроме того, градиенты влажности, возникающие при испарении почвенной влаги, отражают гидрофизические свойства почв, поэтому радиометрические карты почв, снятые на нескольких длинах волн, могут служить основой для оценки качества почв на больших территориях
На основании проведенного обзора литературы поставлены цели и сформулированы задачи исследования
Целью исследования являлось:
Разработка метода определения параметров рефракционной диэлектрической модели по данным о гранулометрическом составе, содержанию гумуса на основе цикла проведенных лабораторных исследований диэлектрических и гидрофизических свойств почв тестовых участков территории Западной Сибири (Омская область), Восточной Сибири (Красноярский край) и Европейской части России (Курская область)
Разработка метода определения градиентов влажности в поверхностном слое на основе цикла проведенных дистанционных радиометрических измерений динамики радиояркостной температуры почв с известными диэлектрическими и гидрофизическими характеристиками на трех частотах микроволнового диапазона (2,7, 6,0 и 8,2 ГГц) в процессах испарения и инфильтрации Определение возможностей радиофизического метода для оценки качества почв и потоков тепла и влаги
Задачи диссертационного исследования.
Разработать метод измерения градиентов влажности, влажности приповерхностного слоя, а также влагопроводности почв
Определить возможности радиометрического градиентного метода в задачах исследования потоков тепла из почвы в атмосферу
Исследовать динамику градиентов влажности в поверхностных слоях для разных типов почв при испарении и инфильтрации
Исследовать взаимосвязь почвенных диэлектрических и гидрологических характеристик с гранулометрическим составом и содержанием гумуса
Исследовать зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды от ее количества в почве, а также от гидрологических свойств почв Определить связь параметров диэлектрических моделей почвы с аг-рогидрологическими константами
Определить модели основной гидрофизической характеристики (ОГХ) пригодные, для использования в комплексных гидро-радиофизи-ческих моделях
Объектом исследования являются влажные почвы с различным содержанием гумуса и гранулометрическим составом
Положения, выносимые на защиту:
1. Дистанционный многочастотный радиометрический метод оценки градиентов влажности и влажности на поверхности почвы
Метод расчета влагопроводности дистанционным многочастотным радиометрическим методом
Методика определения диэлектрической проницаемости почв по рефракционной диэлектрической модели смеси с использованием агрофизических показателей почв в качестве входных данных
Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов для моделирования агрогидрофизических и диэлектрических характеристик почв по данным о гранулометрическом составе и содержании гумуса, а также для дистанционной оценки гидрологических характеристик дистанционным радиометрическим методом при отсутствии данных о диэлектрической проницаемости (ДП) исследуемых почв
Разработанная методика дистанционных радиометрических измерений градиентов влажности и влажности поверхностного слоя перспективна для развития методики оценки величины испарения почвенной влаги
Научная новизна результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, состоит в следующем
Разработан дистанционный многочастотный радиометрический метод оценки градиентов влажности и влажности на поверхности почвы
Разработан метод расчета влагопроводности дистанционным многочастотным радиометрическим методом
Впервые получены аналитические зависимости гидрологических характеристик и параметров спектроскопической рефракционной модели почв от гранулометрического состава и содержания гумуса
Выявлена связь параметров спектроскопической рефракционной модели с агрофизическими константами
Исследованы зависимости ДП связанной воды от ее количества в почвах с различным гранулометрическим составом и содержанием гумуса
Достоверность полученных результатов определяется
согласием экспериментальных данных с расчетными;
согласием ряда экспериментальных данных с данными, полученными другими исследователями,
- тщательным анализом погрешностей измерений
Апробация работы.
Результаты по теме диссертации докладывались на международных и всероссийских конференциях, а именно. Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2003), Вторая Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004), Вторая Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зонди-
рования Земли из космоса» (Москва, 2004), Одиннадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005), 31st International Symposium on Remote Sensing Environment (Санкт-Петербург, 2005), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'05) (Seoul, Korea, 2005); 12-я Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-12-2006) (Тюмень, 2006), Третья Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2005), Четвертая Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2006), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'2007) (Barselona, Spam, 2007)
Публикации: по теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 3 в рецензируемых изданиях.
Структура работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка используемой литературы Общий объем диссертации составляет 170 страниц, включая 34 рисунка, 13 таблиц, 131 источник цитируемой литературы
Влагопроводность. Инфильтрация
Под дистанционным зондированием (ДЗ) покровов в СВЧ диапазоне понимают прием и анализ интенсивности, как собственного теплового излучения, так и отраженного или рассеянного объектом зондирующего сигнала. Одна из главных задач состоит в решении обратной задачи ДЗ, основным этапом решения которой является создание баз данных радиофизических параметров почв.
На радиофизические характеристики почвогрунтов в первую очередь влияют диэлектрические свойства исследуемой среды и шероховатость поверхности, в свою очередь зависящие от таких характеристик, как гранулометрический и химический составы, содержание органических соединений, а также гидрологических характеристик: МГ, НВ и др. Поэтому для интерпретации данных ДЗ важно располагать информацией о связи гидрологических и диэлектрических характеристик почвогрунтов. В данной главе рассмотрены обобщенные сведения о составе почвогрунтов, их гидрологические и диэлектрические параметры, модели передвижение почвенной влаги в процессах инфильтрации и испарения, а также радиометрические методы исследования свойств почв.
Почва представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из трех фаз: твердой (органические и минеральные частицы), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух). Твердая фаза почвы занимает около 50-60% объема почвы в ее естественном сложении. Она представлена минеральными (неорганическими) и органическими веществами.
Органическое вещество почвы представляет собой гумус и остатки, не утратившие органическое строение. Гумус состоит из промежуточных продуктов распада и гумификации, специфических гумусовых веществ и неспецифических соединений. Гумусовые вещества представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений, объединенных общностью происхождения, некоторых свойств и чертами строения. Гумусовые вещества по растворимости и экстрагируемости делят на несколько групп: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот [73,106].
Минеральные вещества составляют основную по массе часть твердой фазы почвы, так, в гумусовых горизонтах их количество составляет не менее 90-95% от массы твердой фазы. В состав почвообразующих пород и почв входят первичные и вторичные минералы.
Первичные минералы образуют скелет почвы и представлены частицами крупнее 0,001 мм, вторичные - менее 0,001 мм. К первичным минералам относятся кварц, полевые шпаты, слюды, магнетит, гематит, апатит и другие.
Из первичных минералов под воздействием климатических и биологических факторов возникают вторичные: глинистые минералы (каолин, монтмориллонит), минералы окисей и гидроокисей железа, марганца, алюминия и т. д. (гематит, авгит, боксит), минералы простых солей (кальцит, доломит, гипс, галит, апатит и т. д.).
Содержание отдельных химических элементов в почвах и грунтах колеблется в широких пределах [106], так почва почти наполовину состоит из кислорода (49 весовых процентов), более чем на четверть из кремния (33%), далее идут алюминий (7,13%), железо (3,8%), калий, натрий, кальций, магний (1-2% каждого). Принято разделять все фракции на две группы по гранулометрическому составу: физический песок ( 0,01 мм) и физическую глину ( 0,01 мм). В основу классификаций почв по механическому составу положено соотношение физического песка и физической глины. Широко распространенной является классификация Н.А. Качинского, согласно которой основное наименование производится по содержанию физического песка и физической глины и дополнительное - с учетом преобладающей фракции: песчаной (1-0,05 мм), крупно-пылеватой (0,05-0,01 мм), пылеватой (0,01-0,001 мм) и иловатой ( 0,001 мм). Данная классификация составлена с учетом генетической природы почв, способности их глинистой фракции к агрегированию, что зависит от содержания гумуса, состава обменных катионов, минералогического состава.
В работе [76] приведена классификация по Н.А. Качинскому (табл. 1.1.1.). Механические элементы могут находиться в почве как в свободном состоянии (в песке), так и в агрегатном, когда они соединены в структуры -агрегаты различной формы, размеров и прочности. Крупные агрегаты могут разрушаться на механические элементы и более мелкие агрегаты при механическом усилии или при размокании в воде. В микроагрегатах ( 0,25 мм) частицы прочно удерживаются и для их разделения применяют химическую обработку.
Близкие по размерам и свойствам частицы группируются во фракции. Н.А.Качинский выделил следующие фракции: камни (более 3 мм), гравий (3-1 мм), песок крупный (1-0,5 мм), средний (0,5-0,25 мм) и мелкий (0,25-0,05 мм), пыль крупная (0,05-0,01 мм), средняя (0,01-0,005 мм) и мелкая (0,005-0,001 мм), ил грубый (0,001-0,0005 мм) и тонкий (0,0005-0,0001), коллоиды (менее 0,0001 мм).
Измерение максимальной гигроскопичности
Влага в почвогрунте может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Существуют три формы жидкой влаги: прочносвязанная, рыхлосвязанная и свободная [113].
Прочносвязанная (гигроскопическая) влага, характеризуется тем, что молекулы воды отличаются сильной ориентацией относительно почвенных частиц, поскольку удерживаются адсорбционными силами, действующими со стороны агрегатов. Присоединение молекул воды к коллоидной частице связано с проявлением поляризационных сил. С приближением к коллоидной частице электронная оболочка молекул воды деформируется (раздвигается центр тяжести положительного и отрицательного заряда) и, хотя молекула воды остается нейтральной, она приобретает форму диполя. Образовавшиеся
диполи, попадая в сферу электрического поля заряженной частицы, строго ориентируются, обращаясь к ней концом, заряд которого противоположен заряду частицы. Как показано в работе [129] при малом увлажнении невозможно образование сплошной водной пленки вокруг почвенного агрегата, молекулы воды, располагаясь на активных центрах (дефектах кристаллов) располагаются разрозненно, образуя "гроздья". По некоторым данным толщина такого "слоя" соответствует двум - трем диаметрам молекул воды [65]. При дальнейшем увлажнении, эквивалентном 4 и более мономолекулярным слоям воды, вокруг частицы образуется пленка прочносвязанной влаги, толщина которой зависит от природы коллоида и величины заряда, при этом количество монослоев может достигать 8 для связанной воды, и более для свободной. Удалить прочносвязанную влагу можно только путем перевода в парообразное состояние при нагревании почвы свыше 100С в течение 4-5 часов. Молекулы гигроскопической воды очень прочно закреплены, они удерживаются давлением около 5 pF (pF = \g\-i//KC\, где у/кс - величина капиллярно-сорбционного потенциала, выраженного в см. вод. ст.).
Количество воды, которое она может поглотить из воздуха, почти насыщенного водяным паром (с относительной влажностью 94%), называют максимальной гигроскопичностью (МГ). Ее значение колеблется в почвах от 2 до 15% и превышает содержание прочносвязанной воды примерно на 40%. Наибольшее количество прочносвязанной воды, которое может быть удержано силами адсорбции, называется максимальной адсорбционной елагоемкостъю (МАВ) и составляет примерно 60% от МГ. Гигроскопическая влага по свойствам (плотности, теплопроводности и т.п.) отличается от свойств свободной влаги.
Рыхлосвязанная (пленочная) влага характеризуется слабо ориентированным расположением молекул, которое является результатом действия со стороны молекул прочносвязанной влаги. Наибольшее количество рых-лосвязанной, или пленочной, воды может в 2-4 раза превышать ве 20 личину максимальной гигроскопичности. Дополнительное количество влаги, удерживаемой силами молекулярного притяжения, почва не может поглотить даже из насыщенной водяными парами атмосферы. Рыхлосвязанная влага сорбируется при соприкосновении почвенных частиц с жидкой влагой. Толщина пленки рыхлосвязанной воды, по данным Мичурина Б.Н. [93], составляет не менее чем 13-15 мономолекулярных слоев, по данным Квливидзе В.И. [77] не более 8.
Часть рыхлосвязанной влаги, находящейся в интервале до МАВ является недоступной для растений и труднодоступной в интервале от МАВ до влажности заеядания (ВЗ). Влажностью завядания называют такое значение влажности, при котором растения начинают обнаруживать необратимые признаки завядания.
Наибольшее количество воды, которое может быть удержано в почве силами молекулярного притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостъю. Некоторые авторы отмечают, что ММВ равна ВРК (влажность разрыва капилляров) [59, 113], влажности, при которой влага в жидком состоянии теряет способность передвигаться к испаряющей поверхности.
Свободная влага характеризуется отсутствием ориентировки молекул около почвенных частиц, что не исключает возможности ориентировки их вокруг находящихся в растворе ионов. Свободная влага удерживается в почве за счет капиллярных и гравитационных сил. Согласно классификации Роде А.А., влага может находиться в различных формах [112]: подвешенная влага характеризуется отсутствием гидростатической связи с водными горизонтами и находится под действием капиллярных сил, характерна для профилей с влажностью не превышающую наименьшую влагоемкость (НВ); подпертая капиллярная влага удерживается капиллярными силами и характерна для профилей, увлажненных до полной влагоемкости (ПВ); свободная гравитационная влага находится под действием гравитационной силы. Вся свободная влага, находящаяся в почве сверх НВ, называется гравитаци 21 онной влагой, она не может удержаться почвой и под действием силы тяжести стекает вниз.
Наибольшее количество подвешенной влаги, остающееся в верхних горизонтах почв после стекания гравитационной воды, называется наименьшей влагоемкостью или полевой влагоемкостью (НВ). Количество почвенной влаги соответствующее по величине НВ зависит от степени структурированности и механического состава почв.
Количество воды, удерживаемое почвой, называется полной или полевой влагоемкостью. Полная влагоемкость (ПВ) соответствует состоянию полного насыщения почвы водой, когда все поры, как мелкие, так и более крупные, заполнены водой.
В работе Качинского [76] приведены соотношения гидрологических констант, используемые в почвоведении: НВ= ПВ 70%, В3= ПВ 32%, МАВ= ПВі8%,ВЗ=(1,3-2)-МГ.
Аспекты движения влаги в пористых средах описаны во многих работах: Будаговского А.И. [56], Воронина А.Д. [61,62,64], Глобуса A.M. [68], Долгова СИ., Лыкова А.В. [88,89], Муромцева Н.А. [97,98], Нерпина СВ., Чуднов-ского А.Ф., [100], Роде А.А. [111,112,113], Судницына И.И. [124,125], Чайл-дса Э. [128] и др. Отсутствие равновесного состояния в почвенном профиле указывает на возможность влагопереноса под действием градиентов потенциалов, температур, концентраций (как веществ растворенных в почвенной влаги, так и пара в почвенном воздухе), а также [126] под действием усадки профиля при высыхании. В зависимости от влагосодержания, влияние тех или иных сил является превалирующим, что позволяет упростить рассматриваемую картину влагопереноса, выделяя один или несколько механизмов передвижения почвенной влаги (гравитационный, капиллярный, пленочный или парообразный).
Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды от ее количества
В работе [32] приводятся результаты измерений динамики почвенной влаги и ее содержания в почве, представлен метод оценки гидрологических свойств и гранулометрического состава, основанный на радиометрических измерениях на частотах 1,4 и 11,4 ГГц, потенциала почвенной влаги и термодинамической температуры почвы. Для моделирования влагопереноса использовалась 1-D модель Hydrus, в основе которой лежит одномерное уравнение Ричардса, описывающее изменение влагосодержания как функцию градиента потенциала почвенной влаги и коэффициента влагопроводности, описываемых моделями Генухтена и Муалема. Авторы отмечают, что данные, полученные в ходе применения 1-D модели, хорошо согласуются с прямыми измерениями влагосодержания в верхнем слое почвенного профиля. По мнению авторов, для уменьшения погрешностей расчетов величин влаж-ностей необходимо уточнить информацию о глубине зондирования.
Собственное излучение почвогрунтов с пространственно-периодическими поверхностями поляризовано в направлении нормали [16]. В работах [48,50] получены результаты, позволяющие использовать это явление для определения градиентов влажности и структуры изучаемой поверхности. В работе [48] показана возможность распознания неоднородно-стей ДП верхнего слоя, структуры поверхности с помощью анализа степени и знака поляризации на нескольких длинах волн.
По знаку степени поляризации зенитного излучения можно определить знак градиента влажности в профиле, однако, это характерно только для наблюдений на длинах волн, больших, чем пространственный период неровностей. Также авторам удалось обнаружить влияние температурных градиентов на поляризацию зенитного излучения.
Определение знака градиента влажности в поверхностном слое позволяет устранить систематическую погрешность определения влагосодержа-ния почв радиометрическим методом в случаях больших градиентов влаж-ностей.
Существенным недостатком спутниковых радиометрических методов является низкое пространственное разрешение. Ряд работ посвящен техническим аспектам повышения разрешающей способности как на пути совместной обработки данных радиолокаторов и радиометров, так и на пути повышения разрешающей способности радиометров методом синтезирован-ния апертуры.
В работе [8] исследовано влияние неоднородности состава в пределах излучающего пятна, которое на длине волны 1,4 ГГц может иметь диаметр, как минимум, 10 км, на точность дистанционного определения влажности радиометрическим методом. Неоднородности оценивались путем сравнения средней влажности определяемой двумя способами: во-первых, путем определения по средней яркостной температуре, измеряемой радиометром, средней влажности в излучающем пятне, а, во-вторых, путем усреднения значений влажности, полученных через значения радиояркостных температур каждого отдельного участка, находящегося в излучающем пятне. Методом моделирования излучения показано, что среднеквадратичное отклонение значений, полученных этими двумя способами при широком диапазоне вариаций гранулометрического состава (содержание глины менялось от 2% до 66%) и влажностей (от 0,2 до 0,4 см /см ) не превышало 0,7% от объемной влажности.
В работе [25] авторы излагают метод определения температуры поверхности, влажности верхнего слоя почвы и содержания влаги в растениях на нескольких длинах волн в диапазоне 6,6-18 ГГц при помощи нескольких ра 67 диометров, размещенных на платформе КА AMSR-E. С этой целью также авторы привлекли ранее полученные данные в этом диапазоне с SMMR (КА Nimbus-7 1978) и SSM/I (КА DMSP 1987), а также данные оптического диапазона. Интерпретация полученных со спутника данных оценена авторами удовлетворительно, однако отмечена необходимость коррекции используемых для этих целей моделей излучения.
В работе [18] приведена модель тепло- и влагопереноса, основанная, как и в описанной выше работе тех же авторов, на одномерной гидрорадиофизической модели 1 dH/R для почвенного профиля, прокрытого растительностью. Радиометрические измерения проводились микроволновым сенсором SSM/I на частотах 19 и 37 ГГц, Н-поляризации. Для моделирования потоков фиксировали метеорологические данные, альбедо покровов, плотность травянистого покрова, влажность и термодинамическую температуру почвы на глубинах 2, 4, 8, 16, 32 и 64 см. Для моделирования атмосферных процессов, влияющих на влагоперенос, использовали модель LSP, примерами которой являются модель переноса в системе атмосфера-биосфера (BATS), простая модель биосферы (SiB) [33] и упрощенная модель биосферы (SSiB)[44]. Авторы считают, что уменьшения погрешности оценки влажности почвы при помощи модели LSP можно было бы достичь посредством восстановления связи между температурой воздуха и влажностью почвы. К тому же, учитывая эффективность определения влажности почвы методами ДЗ, авторы предлагают дополнить одномерную гидрологическую модель 1 dH, входящую в состав модели LSP, радиометрической моделью R, основанной на величинах влажности и температуры почвы, рассчитанных по модели 1 dH. Таким образом, используя отличия между измеренными и рассчитанными по модели R величинами влажностей, авторы могут оценить погрешности найденного по модели 1 dH количества запасенной влаги - влаги, содержащейся в парообразном, жидком и твердом состояниях в почве, снеге и растительности.
Результаты моделирование градиентов влажностеи почв с различным содержанием гумуса
Диэлектрическая проницаемость (ДП) влажных почв сложным образом зависит от частоты, поскольку почва содержит компоненты, обладающими релаксационными свойствами. Хорошо изучены свойства свободной воды, находящейся в почвенных порах и капиллярах. Считается, что взаимодействие со стенками капилляров не приводит к изменению времени релаксации и диэлектрические свойства свободной воды в почвах могут быть описаны моделью Дебая в широком диапазоне частот. Значительная часть почвенной влаги, определяющая ДП, находится в связанном состоянии.
Диэлектрические свойства связанной (адсорбированной почвенными частицами) воды исследованы недостаточно хорошо в первую очередь по причине невысокой точности измерений ДП почвы, состоящей из твердой фазы, воздуха и воды в связанном и свободном состоянии. Кроме того, исследование зависимости ДП связанной воды осложняется тем, что она является составной компонентой смеси и ее ДП определяется косвенным методом через диэлектрические модели смесей. К сожалению, модели, работающие во всем диапазоне значений объемных долей компонент смесей, являются приближенными. Многие модели, в том числе и рефракционная модель (1.4.6-1.4.7), описывающие ДП влажных почв, предполагают, что ДП связанной воды не зависит от ее количества в почве, т.е. для данной почвы есть величина постоянная. В задачах микроволнового зондирования учет изменений свойств связанной воды не приведет к существенному повышению точности измерений, так как эти изменения наблюдаются при небольших влажностях (менее 0,04-0,08 см3/см3), когда влияние ДП связанной воды на ДП почв невелико.
Зависимость диэлектрических свойств связанной воды от толщины ее пленки на поверхности почвенных частиц учитывается моделью (1.4.10) Предполагается, что при малом увлажнении вода образует на поверхности частиц мономолекулярные слои, при этом каждому слою можно придать свое значение ДП. Если предположить, что модель Дебая справедлива для связанной воды, тогда можно записать следующее выражение для КДП связанной воды [77]: действительная и мнимая части ДП связанной воды, e0b(W), » -статическая и высокочастотная диэлектрические проницаемости связанной воды, соответственно, T(W) - время релаксации, W - влажность почвы, ш и А, круговая частота и длина волны в вакууме, соответственно. При моделировании зависимости диэлектрической проницаемости почвы от влажности можно использовать либо значения r(W), измеренные методом ЯМР [77] для пленок разной толщины, либо, как предлагается в [103] связывать время релаксации с капиллярно-сорбционным потенциалом почвенной влаги. При этом предполагается, что высокочастотная диэлектрическая проницаемость 5 =4,9-5,1.
Параметрыr(W) и s0b(W), a(W) можно определить для фиксированных значений влажности, если измерять ДП связанной воды при одном и том же значении влажности почвы в широком диапазоне частот. К сожалению, с одним и тем же почвенным образцом провести такие измерения затруднительно, так как минимальная "оптическая" длина образца для достижения удовлетворительной точности измерений в длинноволновой части диапазона долж 114 на быть больше 0,1 А.. При этом на частоте, в 100 раз большей, длина образца
будет составлять ЮЛ.. При такой длине образца даже при его невысокой влажности коэффициент пропускания будет меньше -15 дБ. При этом точность измерения ДП используемым нами амплитудным методом будет невысокой. Расчет ДП связанной воды проводился по рефракционной модели в предположении о том, что малоувлажненная почва является смесью сухой почвы и связанной воды. Ввиду того, что связанная вода при малых влажно-стях почвы дает небольшой вклад в общую диэлектрическую проницаемость образца, погрешность определения диэлектрической проницаемости связанной воды может быть в 3-4 раза выше погрешности определения ДП почвы и составляет до 30% для действительной и около 45% для мнимой части.
Результаты расчётов ёъ и є"ь для разных значений относительной влажности W/Wt приведены на рис. 3.2.2. и 3.2.3. для образца №4.
Здесь приведены усредненные данные для ДП связанной воды в предположении, что при определенной толщине пленки на поверхности почвенных частиц ДП связанной воды одинакова для всех мономолекулярных слое. Как видно из представленных результатов при увеличении относительной влажности и, соответственно, толщины пленки мнимая и действительная части диэлектрической проницаемости связанной воды возрастают.
По данным о частотной зависимости ДП связанной воды произведена попытка оценить параметры модели Дебая. Влияние различных констант этой модели ДП различно на разных частотах. В низкочастотнойчасти диапазона на мнимую часть ДП связанной воды сильно влияет проводимость, а на действительную часть - статическая диэлектрическая проницаемость. В высокочастотной части диапазона на мнимую и действительную части ДП становится заметным влияние времени релаксации.
Для каждого значения относительной влажности W/Wt сначала подбирались проводимость, статическая диэлектрическая проницаемость связанной воды и время релаксации на нескольких частотах. Значение проводимости уточнялось на нескольких частотах длинноволновой части используемого диапазона (от 0,1 ГГц до 1,5 ГГц), поскольку на более высоких частотах её роль несущественна. Затем при фиксированной проводимости на нескольких частотах корректировались значения статической ДП связанной воды и времени релаксации. Эта процедура была проведена для разных значений относительной влажности W/Wt. Значения статической ДП связанной воды были усреднены для каждого типа почвы и каждого значения относительной влажности (см. табл.3.2.1). Последний этап обработки заключался в подборе времени релаксации связанной воды для каждого значения приведённой влажности при фиксированной проводимости и статической ДП связанной воды. На рис. 3.2.2, 3.2.3 линиями изображены зависимости действительной и мнимой частей комплексной ДП связанной воды для образца № 4, рассчитанные по модели Дебая, в которую подставлены подобранные и усреднённые параметры - статическая ДП связанной воды и время релаксации при соответствующих влажностях.
Погрешность определения статической ДП связанной воды и время релаксации высоки, поскольку они определялись косвенно по параметрам, которые, в свою очередь также определялись косвенно и зависели от выбранной модели (є?ь и є"ь, Wt,, а).
Ha рис. 3.2.4. приведена зависимость статической ДП связанной воды от относительной влажности для образцов №4 (1) и №7 (2). Прослеживается существенная зависимость статической ДП связанной в образце №4 влаги от относительной влажности, что говорит о существенном различии вкладов различных слоев связанной воды в интегральную ДП. По мере возрастания влажности статическая ДП связанной в образце №4 воды возрастает, постепенно приближаясь к ДП свободной воды. Для образца №7, напротив, статическая ДП связанной воды практически не зависит от относительной влажности. Следует отметить, что значение переходной влажности образца №7 почти вдвое меньше, чем у образца №4, кроме того, эти образцы существенно отличаются и по содержанию гумуса и физической глины (см. табл.3.2.1.).
