Диэлектрические и излучательные свойства мерзлых песчаных почв в СВЧ-диапазоне волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА II ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. И. ЛЕНИНА

Специализированный совет К 053.01.03 П п_

На нравах рукописи

СЛОБОДЧНКОВА Светлана Владимировна

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ II ИЗЛУЧАТЕЛЫ1ЫЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ В СВЧ-ДИАПАЗОИЕ ВОЛИ

Специальность 01.04.03—радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой стенснн кандидата физикэ-математических наук

Москва—1993

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина.

дох;тор физико-математических наук, профессор В. С. ЭТКИН

доктор физико-математических наук, старший ¡научный сотрудник В. А. ИЛЬИН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Е. А. ШАРКОВ

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В. Е. СМОРОДИН

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН.

Защита состоится «. года в. /С.

часов на заседании Специализированного совета К 053.01.03 но присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина (119435, Москва, М. Пироговская ул. д. 29, ауд. 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (Москва, М. Пироговская ул., д. 1, МПГУ имени В. И. Ленина).

Научные руководители:

Автореферат разослан «

»

Ученый секретарь Специализированного совета Л. Б. ЛИТВАК-ГОРСКАЯ

Актуальность.

В настоящее время все более 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. 12]. Проведение таких исследований традиционными прямыми методами в большинстве случаев неэффективно из-за высокой трудоемкости и малого результирующего 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 дистанлиснно-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 наш взгляд, недостаточно широко, несмотря

- г -

на реальную возможность улучшить с их помощью прогнозирование запасов влаги в почве. К сожалению, 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 ^ля почв, находяцихся при положительных температурах.

Целью диссертационной работы являлось:

- лабораторные измерения диэлектрических и нзлучательных характеристик песка в СВЧ - диапазоне волн при отрицательных температурах, и 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

- 3 -

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.

2. Обнаружен и исследован скачок диэлектрической проницаемости, радиояркостной температуры, а также термодинамической температуры песка при фазовом переходе вода-лед.

3. Изучены особенности образования льда в песке, высказано предположение о возможности образования из связанной воды нескольких типов льда с различными электрофизическими свойствами.

4. Обнаружен и исследован аномальный рост диэлектрической проницаемости мерзлого песка при понижении температуры, который непротиворечиво обьясняется 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 —23°С при автоматическом поддержании необходимого уровня температуры.

2.Экспериментально установлена высокая степень корреляции значений яркостной температуры и диэлектрической проницаемости мерзлого песка в широкой диапазоне изменений температуры и влажности.

3. Показано, что в радиотепловом излучения реальной песчаной почвы наблюдаются те же радиофизичесие эффекты, что и в чистом песке, однако из-за одновременного воздействия нескольких факторов, влияющих на излучательные характеристики образца они продляются менее ярко,

4. Предложен способ оценка влажностя печ^Н цр результатам

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 распространению 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задач и методов исследования, сформулированы цели работы, ее новизна и практическая значимость, изложена структура н краткое содержание диссертации.

В первой главе "Обзор литературы и постановка задачи" представлен обзор опубликованных работ, посвященных изучение физико-механических параметров мерзлых почв и их электрофизических характеристик в СВЧ - диапазоне волн.

Существенное место занимает описание основных ,характеристик мерзлых почв как объекта исследования. Приводятся сведения о составе и компонентах почв при отрицательных температурах, их строении и структуре, физических процессах, протекающих в них, о гидрологических и тепловых свойствах.

Значительное внимание уделено результатам экспериментов по

исследованип диэлектрических и излучательных характеристик мерзлых почв в СВЧ-диапаэоне волн и их связи с физическими параметрами почвы. Отмечается, что к настоящему времени выполнены лишь отдельные ра<5оты в этой области, причем в большинстве из них исследования проведены при положительных температурах. Диэлектрическая проницаемость с мерзлых почв в СВЧ- диапазоне волн изучалась лишь эпизодически, а влияние влажности на ее величину вообще не обсуждается.

Следует отметить, что до настоящего времени не проведена систематизация данных об излучательных свойствах разных типов почв. В ряде работ проведены исследования радиофизических характеристик мерзлых почв, но и в них влияние влажности на параметры излучения экспериментально и теоретически не изучалось, хотя именно оно в наибольшей степени интересует практиков. В данной главе рассмотрены также основные электродинамические модели и диапазон применимости каждой из них.

С прикладной точки зрения важно также установление связи ме-яду физико-механическими параметрами почвы и ее радиофизическими характеристиками, выявить которую в полной мере можно только с помощью лабораторных исследований. Однако количество таких исследований в отрицательной области температур, по нашему мнению, неадекватно важности проблемы.

На основании анализа экспериментальных и теоретических работ различных авторов сформулированы задачи исследования.

Вторая глава - "Техника и методика исследований" посвящена описанию экспериментальной техники, используемой в лабораторных исследованиях диэлектрической проницаемости, радиояркостной температуры собственного теплового излучения и коэффициента поглощения песчаных почв в широком температурном диапазоне, а также методике измерения указанных параметров.

Исследования диэлектрических и излучательных характеристик песчаной почвы проводились на частоте 20 ГГц. Ее выбор обусловлен тем, что в этом диапазоне наиболее явственно проявляются электрофизические свойства связанной воды, поскольку последняя имеет меньшую релаксационную длину волны, чем свободная вода 15). По нашему мнению, различие в свойствах разных категорий воды должно

сказаться и на свойствах льда, образующегося из них.

Для исследования диэлектрической проницаемости, радиояркос-тной температуры собственного теплового излучения и коэффициента поглощения песчаных почв была создана лабораторная установка, включающая в себя термокамеру и устройства, с помощью которых производились исследования.

Для проведения измерений электрофизических характеристик исследуемых образцов почв в широком диапазоне температур была создана термокамера, основным блоком которой является трехкаскадная термобатарея. Непосредственно на ее холодном спае устанавливалась волноводная секция, заполненная исследуемой почвой, которая включалась в измерительный СВЧ-тракт. Термокамера была полностью теплоизолирована; регулировка температуры в ее рабочем объеме производилась путем изменения величины тока, питающего термобатарею. Температура образца измерялась с помощь» термометра сопротивления, имеющего непосредственный контакт с образцом; ее поддержание производилось автоматически с точностью 0.1 - 0.2°С.

Испытания продемонстрировали стабильную работу термокамеры в диапазоне температур +45°С —25°С при токе через термобатарею не превышающем 1.5А. При этом градиент температуры вдоль волноводной секции с образцом не превышал 0.5°С.

Измерения диэлектрической проницаемости образцов почвы проводились методом короткого замыкания и холостого хода 16], радио- . яркостной температуры и коэффициента поглощения радиометрическим методом с использованием модуляционного приемника [7]. Относительная погрешность определения диэлектрической постоянной не превышала 10% от измеренного значения с во всем диапазоне изменения влажности W, абсолютная погрешность составила i 0.3. Флуктуацион-ная чувствительность радиометра при постоянной времени т = 1с не превышала 1К.

В данной главе приводится также описание подготовки образцов к исследованиям и методика определения их основных параметров: влажности и гранулометрического состава. Определение влажности производилось термостатно-весовым способом - Í 83 и относительная погрешность ее измерения не превышала 0.015 при W > ЗУ., а абсолютная - 0.44.

В связи с тем, что по своей структуре почва является сложным объектом, состоящим из целого ряда компонент различной природы, в первом приближении ее можно представить как смесь песка и глины в различных пропорциях [81. Поэтому на данном этапе исследований нами был выбран чистый песок различного гранулометрического состава, не содержащий структурных и химических примесей. С этой целью перед измерениями песок тщательно промывался и прокаливался в муфельной печи при температуре 110°С в течение 6 часов, после чего вновь промывался дистиллированной водой, а затем разделялся на фракции.

Размер минеральных частиц определяет не только минералогический и химический состав почвы, но также его структуру и физические свойства [9]. Он является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на процесс образования льда в почве при замерзании воды в ней, и служит удобной характеристикой для оценки свойств этого объекта. В связи с этим нами исследовался песок с тремя различными размерами гранул: 0.8 - 0.5мм, 0.5 - 0. Змм и 2 0. Змм. Гранулометрический анализ был выполнен с помощью электронного микроскопа ЛИАМЕТ - 2 и системы орфометрического анализа МАКБ. Непосредственно перед измерениями песок определенного состава еще раз прокаливался и промывался дистиллированной водой. Увлажнение его также осуществлялось дистиллированной водой.

В третьей главе - "Исследование диэлектрических свойств мерзлых песчаных почв" приводятся результаты изучения диэлектрических характеристик песка, их зависимости от влажности, температуры и гранулометрического состава. Проведено обсуждение полученных данных, при этом особое внимание уделено диэлектрическим характеристикам льда в песке, наличие которого определяет свойства почв при отрицательных температурах.

Исследование свойств влажного песха, являющегося идеализированной моделью реальной песчаной почвы, показало, что в широкой диапазоне положительных температур СО - +25°С) его диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается. Изменение значения с почвенной влаги с понижением температуры приводит к уменьоению с песка в целом. При температуре, соответствусцеЗ моменту замерзания влаги в песке происходит резкое изменение его диэлектрической

проницаемости. Оно связано с тем, что в песке появляется лед, диэлектрические свойства которого отличны от свойств воды. В результате на зависимостях с Си наблюдается скачок диэлектрической проницаемости, величина которого зависит от влажности. Дальнейшее понижение температуры приводит, как и в положительной области температур, к слабому изменению диэлектрической проницаемости песка.

Описанное выше поведение с' наблюдается не при всех значениях влажности, а только при относительно большой ее величине. При малых значениях (V £ 5'/.) диэлектрические свойства грунта в диапазоне температур -20 - +25°С практически постоянны, и комплексная диэлектрическая проницаемость мерзлого песка соответствует с сухого песка той же структуры. Аналогичным образом ведет себя и е"С1>. испытывает скачок в момент замерзания влаги в песке и практически не изменяется с температурой при малых значениях V.

Величина влажности оказывает существенное влияние не только на величину скачка с при замерзании влаги в песке, но и на весь характер зависимости с - ПО: при определенных значениях V скачок отсутствует и наблюдается резкое возрастание диэлектрической проницаемости с понижением температуры. На зависимостях с = ГШ наблюдается характерный пик е'СЮ, положение которого с понижением температуры слабо смещается в область больших значений влажности. При этом чем мельче песок, тем при большем значении V наблюдается указанный максимум. Так, при I = -3°С для песка с размерами гранул £ 0.3мм пик на кривой имеет место при значении влажности 13 - 16И; 0.5 - 0.3мм - 11- 13%; 0. 8 - 0.5 мм -.6 - 9%.

Появление пика, по нашему мнению, связано с тем, что в определенном интервале температур и влажностей в песке появляется компонента с большим значением с. Это приводит к увеличению диэлектрической проницаемости мерзлого песка в целом.

Мерзлая почва является многокомпонентной системой [103, состоящей из минерального скелета, газов, незамерзшей коды и льда. Если считать первые две компоненты не зависящими от температуры, то наличие максимума с может быть связано только с двумя оставшимися. Этот эффект связан с замерзанием влаги в песке, так как при положительных температурах, он не наблюдается; в этой случае яме-

ет место лишь немонотонная зависимость еСЮ. Отметим однако, что образующийся при этом лед должен обладать необычными электрическими свойствами.

Мы предположили, что лед, образующийся из связанной воды, обладает сегнетоэлектрическими свойствами и характеризуется, тем самым, высокими значениями с С1Ц. При этом, несмотря на сравнительно небольшое количество такого льда, резко возрастает вклад этой компоненты в суммарную диэлектрическую проницаемость песчаной почвы, что приводит к росту с С1) при понижении температуры и пику на зависимости с = ГСV).

В пользу высказанного предположения о наличии в образцах ме-. рзлого влажного песка сегнетоэлектрической компоненты свидетель-, ствуют, в частности, зависимости 1/с - ГС1), на которых наблюдается линейный рост 1 /с с повышением температуры. Т.е., температурная зависимость действительной части диэлектрической проницае- . кости описывается законом Кюри-Вейсса С11], характерным для сег-нетоэлектриков. При этом наклон зависимостей для песка с разным гранулометрическим составом практически одинаков.

Четвертая глава - "Лабораторные исследования ^злучательных характеристик йерэлых почв" содержит' данные экспериментального' исследования зависимости радиофизических свойств песка, различного состава от влажности и температуры, а также анализ связи между диэлектрическими и иэлучательнкми характеристикам! песка при изменении его влажности и температуры. В данной главе приведены также результаты исследований реальной песчаной почвы; Один из параграфов главы посвяцен СВЧ-диагностике замерзания влаги в песке.

Иэлучателыша характеристики" почв тесно связаны с вариациями их диэлектрических свойств, и установление корреляции между ними при изменении те»шературы и влажности является необходимым условием достоверности и точности определения степени увлажнения почвы по данным СВЧ-зондирования. Поэтому основной особенностью проведенного нами эксперимента являлось точное соответствие условий ¿го выполнения тем, в которых йэиерялись диэлектрические характеристики. Это позволяет адекватно сравнивать полученные значения радиояркостной температуры Тд п коэффициента поглощения с измеренными ранее значениями с. -

Аналиэуя температурные зависимости радиояркостной температуры собственного теплового излучения песка можно отметить, что при положительных температурах Тя падает с понижением I, а при отри" цательных - имеет тенденцию к насыщению. Привлекает внимание, как и на зависимостях ¿(1), скачкообразное изменение Тд1 наступающее в момент замерзания влаги в песке. При этом размах скачка определяется влажностью образца: он тем больше, чем меньше влажность песка, и при 1,5 < V < 5 V. достигает 10 - 15К.

Характер изменения радиояркостноЯ температуры при значениях I, ниже температуры скачка, также зависит от влажности. В образце о малыми ее значениями Тя насыщается практически сразу после скачка, когда же У = 10 - 15% выход на насыщение происходит только при I < -18°С.

Если V < 1.5% иэлучательные своЯства песка в диапазоне температур +25 —25°С меняются слабо. Хотя при I > 0°С Тд несколько уменьшается с понижением температуры, этот эффект не превышает % 5 - 7К С для сравнения при V > 1.7% спад Тя достигает 28 К). В отрицательной области температур Тя быстро выходит на насыщение и при 1=0 —25°С ее изменение не превышает - ЗК.

Процесс образования льда в почве происходит по-разному в зависимости от соотношения количеств свободной и связанной влаги в образце, которое, в свою очередь, зависит от V. Это и определяет различную динамику замерзания: быстрый выход на насыщение Тя при • малых значениях V/ и пологий спад при больших.

Охлаждение образца до I < 0°С влияет не только на радиоярко-стную температуру, но и на поглощение в нем СВЧ-иэлучения: свойства влажного песка до и после замерзания резко отличаются друг от друга. Если до замерзания влаги в песке коэффициент поглощения К и оптическая толщина образца & были бесконечными, то после образования льда образец просветляется. К и & принимают конечные значения, которые уменьшаются при дальнейшем понижении температуры.

, Результаты теоретических и экспериментальных исследований почв дают основание полагать, что их диэлектрические и радиофизические характеристики должны нелинейным образом завысить от V Это утверждение было подтверждено и в ходе наших измерений

В условиях нашего эксперимента вариации радиояркостной температуры образцов песка могли быть вызваны только изменением его диэлектрической проницаемости; влияние засолености, шероховатости поверхности и других факторов было исключено. Поэтому можно, считать правомерным проведение сравнения зависимостей е'(1,Ю и ТЯС1,Ю.

При сопоставлении указанных выше зависимостей видно их несомненное сходство: в определенном диапазоне влажностей уменьшение диэлектрической проницаемости соответствует повышению радиояркостной' температуры, а имеющие место в обоих случаях экстремумы (максимумы на ¿(ТО и минимумы на ТЯ(Ю) соответствуют близким эначе--. ниям V/. С понижением температуры, а также с уменьшением размена гранул, как уже отмечалось, положение экстремумов меняется одинаковым образом.

Суммируя вышесказанное можно констатировать, что определен- . ныЯ независимым образом ход изменения радиояркостной температуры тождественен ходу е(Ю и, следовательно, обусловлен теми же физическими причинами. В частности, результаты исследования Тд служат дополнительным подтверждением высказанного выше предположения о различии свойств льда, образованного иэ разных типов воды.

Сравнение температурных и влажностных зависимостей • диэлект-трическоЯ проницаемости и радиояркостной температуры песка о определенными размерами гранул поволило установить наличие высокой степени корреляции между диэлектрическими и излучатольными харак- • теристиками мерзлого песка, в том числе при их изменениях, происходящих при вариациях температуры, влажности и дисперсности. Это дает возможность адекватно сопоставить получаемые при пассивном дистанционном зондировании значения радиояркостной температуры с физическими параметрами изучаемого объекта и тем самым существенно повысить точность дистанционных измерений.

Следует отметить, что представление песчаной почвы как смеси только песка и воды в различных пропорциях является достаточно грубым приближением. Для того'чтобы выяснить степень этого приближения нами были исследованы-элеирофиэические свойства реальной песчаной почвы. На ее образцах был повторен цикл измерений, проведенный ранео на чистом песке. Исследовались температурные зави-

симости диэлектрической проницаемости и радиояркостной температуры при I < 0 и различных значениях влажности.

Анализ полученных экспериментальных данных и их сравнение с результатами исследования чистого песка позволяют говорить об имеюшлхся различиях, связаных, по-видимому, с наличием в почве солей, органических остатков и других примесей, которые были удалены из чистого песка при подготовке его к исследованиям. Их могут вклад в диэлектрическую проницаемость и радиояркостную температуру образца сравним со вкладом влажности. Кроме того наличие в почве гранул различных размеров, также может привести к изменению ее электрофизических характеристик.

Указанные различия состоят прежде всего в том, что большинство наблюдающихся в чистом песке эффектов С скачок е(1) и Тд(1), экстремумы на влажностных зависимостях этих параметров, рост с при отрицательных температурах и т.д.) в реальной песчаной почве проявляется с существенно меньшей интенсивностью, т.к. одновре-. менное влияние многих факторов приводит к их ослаблению. Поэтому чистый песок, являвшийся основным объектом нашего исследования, может служить хорошей моделью для изучения электрофизических характеристик почв.

Б ходе измерений диэлектрических и излучательных характеристик песка был отмечен ряд явлений, наблюдающихся в диапазоне температур -0.5 -'-2°С Св'зависимости от влажности и размеров гра-• нул). Наиболее интересным из них, по нашему мнению, является скачкообразный рост -термодинамической температуры. После скачка температура в течение некоторого промежутка времени остается постоянной, после чего быстро возвращается, к первоначальному значению, проходя через все промежуточные точки.

Указанный характер зависимости температуры от времени наблюдался для всех исследованных типов песка, и песчаной почвы. При увеличении влажности и размера гранул образцов наблюдался небольшой рост размаха скачка I и времени установления первоначальной температуры.

, В том же диапазоне температур, где имеет место температурный скачок, отмечены также особенности на зависимостях с, Тя, КС I, №, Скачок температуры сопровождается резким изменением указанных па-

раметров, свидетельствующим о том, что в песке, как в ъмеси, появилась новая компонента с существенно иными свойствами. Это может быть связано только с замерзанием почвенной влаги, т.е. с фазовым переходом вода-лед. Как известно С12), в точке фазового перехода наблюдается скачок теплоемкости воды, который приводит к соответствующему изменению термодинамической температуры. Именно этот эффект наблюдался в процессе исследований влажной песчаной'почвы.

Температурный скачок при фазовом переходе вода-лед 'позволил с высокой точностью определить температуру замерзания Ц влаги в. почве и установить, что она зависит от размера частиц.и. влажности. При этом, чем меньше дисперсность и влажность, тем'меньше Ц. Как отмечалось вше, диапазон, в котором происходит замерзание : влаги, для песка со всеми исследуемыми размерами гранул составил( 0.5 - 2°С. В этом же диапазоне происходило и замерзание влаги в, песчаной почве.

Особенности, проявляющиеся в области температурного скачка, позволили исследовать нэлучателыше характеристики системы песок - влага до и после фазового перехода при одном и том же значении температуры. Возможность измерения характеристик песка при одном значении I с разных сторон фазового перехода -дает дополнительный возможности для определения влагозапаса дистанционным методом, В Заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

'1 1 111 — " 1 ■ »

1. Разработана методика исследований, позволяющая выполнять измерения диэлектрической проницаемости, радиояркостной температуры и коэффициента поглощения песка при полной идентичности условий их проведения.

2.На базе полупроводниковых термоэлементов сконструирована и изготовлена термокамера, позволяющая проводить исследования характеристик диэлектриков в диапазоне'температур +50 —25°С и автоматически поддерживать температуру С точностью £ 0.2К. •

3. При термодинамической .температуре -0.5 —2°С обнаружен и исследован скачок диэлектрической проницаемости и радиояркостной температуры песка и, связанный о фазовым переходом в системе'вода

- лед, изучены характеристики этого эффекта при изменении влажности и гранулометрического состава.

4. Изучены особенности образования льда в песке; на этой основе высказало предположение о возможности образования из связанной воды нескольких типов льда с различными физическими свойствами.

• 5. Обнаружен и исследован аномальный - рост диэлектрической проницаемости мерзлого песка с понижением температуры, который непротиворечиво объясняется образованием в нем льда, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами.

6. Установлен немонотонный характер зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости песка от влажности при отрицательных температурах. На них обнаружен пик, смещающийся при изменении температуры и размера гранул и связанный с наличием в образце се-гнетоэлектрической компоненты.

; 7. Экспериментально установлена высокая степень' корреляции . яркостной температуры и кэффициента поглощения песка при t < 0°С с его диэлектрической проницаемостью в широком диапазоне изменения температуры и влажности.

8. Показано, что в радиотепловом излучении реальной песчаной почвы наблюдаются те же радиофиэичесие эффекты, что и в чистом песке, однако из-за одновременного воздействия нескольких факторов, влияющих на иэяучателыше характеристики образца они проявляются менее ярко.

9. Исследован ¿качок температуры песка при фазовом переходе вода-лёд, показано, что в точке перехода одной и той же термодинамической температуре соответствуют два различных значения ради-ояркостной температуры, разница между которыми зависит от влажности, что может быть использовано для интерпретации данных дистанционного зондирования.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Ильин В.А., Слободчикова C.B., Эткин B.C. Лабораторные иссле-

, дования диэлектрической проницаемости мерзлых песчаных почв.

//Радиотехника и электроника. 1993. К. 6. С. 1036-1041.

2. Ильин В. А. , Слободчикова С. В., Эткин В. С. Лабораторная устано-

N

вка для СВЧ-диагностики почв при положительных и 'отрицательных температурах. //Приборы и техника эксперимента. 1993. N. 4. С. 197-199.

3. Ильин В. А., Слободчикова С. В., Сосновский Ю. М., Эткин, В. С. Лабораторная установка для измерения температурных зависимостей электрических характеристик почв. Тез. докладов научно-, технической Конференции. Саранск. 1993. С. 88 ;

4. Ильин В.А., Слободчшсова C.B., Эткин B.C. Радиофизические исследования мерзлых песчаных почв в сантиметровом диапазоне волн. Тез. докладов XVII Конференции по распространенно радиоволн. Ульяновск. 1993. Т. 3. С. 83.

МГЕРАТУРА

1. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии и гидрологии. Под ред. Крекнелла. - М. •• Мир. 19847 -535с.

2. Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. -М.; Наука. 1986. -189 с.

3. Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В., Наэаркин В,А. Космическая ди-- станционная индикация акваторий и водосборов (микроволновые

методы). - Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат. 1992. -248с.

4. Башаринов А. Е,, Гурвич А. С. , Егоров С. Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука. 1974. -187с.

5. Сологубова Т. А. Собственное радиоизлучение и диэлектрические

свойства малоувлажненных почв на СВЧ. •• Дис. канд. ф.-м. наук.-М. ,1987. -187 с.

6. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Из-во физ. - мат. лит-ры, 1963. -404с.

7.; Есепкина Н. А., Корольков Д. В. , Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры! - М.: Наука. 1973. -415 с.

8. Добровольский В. В. Практикум по географии почв с основами почвоведения. - М.: Пр-е. 1982. -127с'.

' 9. Пчелинцев А, М. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов. -М. Наука. 1964. -260с. 10. Савельев Б.А. Физико-химическая механика мерзлых пород. - М.: Недра. 1989."

' 11, Смоленский Г.А. и др. Физика сегнето-электрических явлений. ' -Л.: Наука. 1985. -396с.

12. Зацепина I'. А. Физические свойства и структура воды. -М.: Из-во МГУ. 1987,. -171 с.