Влияние степени засоленности на электрофизические свойства песка в СВЧ диапазоне волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

^ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА

^ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

^ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

. имени В. И. ЛЕНИНА V

Диссертационный совет К 053.0i.03

На правах рукописи

СОСНОВСКШГ Юрии Михайлович

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ЗАСОЛЕННОСТИ ПА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕСКА В СВЧ ДИАПАЗОНЕ ВОЛИ

Специальность 01.(М.0.1 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1995

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

доктор физико-математических наук, с. п. с. В. А. ИЛЬИН

Официальные оппоненты:

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

кандидат физико-математических наук, с. н. с. 10. Г. ТИЩЕНКО

Ведущая организация: Читшюкпй институт природных ресурсов СО РАН.

Защита состоится года в . часов

па заседании Диссертационного совета К 053.01.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина (119435, Мооква, М. Пироговская ул., д. 29, ауд. 30).

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

Автореферат разослан «............»........................1995 г.

Научный руководитель:

Ученый секретарь Диссертационного совета -Г7/7 Л. Б. ЛИТВАК-ГОРСКАЯ

Актуальность.

Дистанционное измерение характеристик подстилающих поверхностей Ссуши, моря, лесов, пашни, снега и т. д.) в С8Ч-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 й 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 влажностей 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 -25°С.

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 апробировании 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, 1393 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. Обьем работы составляет 151 стр. печатного текста, включая 48 стр. рисунков и таблиц. Список литературы содержит 117 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 и краткое содержание диссертации.

В первой главе "Обзор литературы и постановка задачи" приведен обзор литературных данных по теме диссертации.

Существенное место занимает описание диэлектрических и радиофизических характеристик засоленных почв. Приводятся сведения о результатах исследования засоленных почв в СВЧ, видимом и ИК диапазонах волн. В частности, отмечается, что обнаруженная немонотонность в поведении диэлектрической прницаемости засоленных почв от влажности при комнатной температуре [6J не находит адек-тватного объяснения в рамках имеющихся представлений.

Значительное внимание уделено лабораторным исследованиям диэлектрических и излучательных характеристик мерзлого песка ЕЗ, 43. Аномальное поведение электрофизических характеристик мерзлого песка и предложенное объяснение этого эффекта на основе образования сегнетоэлектрического льда из связанной воды требуют

дальнейшего изучения ее роли в физических процессах происходящих при замерзании почв. В связи с этим, в обзоре литературы рассмотрены свойства связанной воды в различных дисперсных системах. В частности, приводятся данные об экспоненциальном изменении толщины пленки связанной воды в кварцевых капиллярах при понижении температуры от 0° до -10°С, а также различные взгляды на величину диэлектрической проницаемости связанной влаги.

Рассмотрение физико-механические свойства различных типов льдов След 1-1Х? показали, что при определенных сочетаниях давления и температуры, возможно образование льда, имеющего иную кристаллографическую структуру и более высокое значение диэлектрической проницаемости, чем обычный лед. Такие условия реально существуют в почвах, т.к. по данным [7] давления оказываемые пленкой связанной воды на поверхность почвенных гранул могут достигать 10* атм.

С прикладной точки зрения важна задача установления связи между физико-механическими параметрами реальных почв и полученными результатами, адекватное решение которой возможно только в лабораторных условиях. Однако количество таких исследований не соответствует актуальности рассматриваемой проблемы.

На основании анализа литературы по теме диссертации сформулированы задачи исследования.

Вторая глава - "Техника и методика исследований" посвящена описанию экспериментальной техники, используемой в лабораторных исследованиях диэлектрической проницаемости, вариаций радиоярко-стной температуры собственного теплового излучения и коэффициента отражения засоленных песчаных почв в широком диапазоне температур и влажностей, а также методике измерения указанных параметров.

Исследования электрофизических характеристик песчаной почвы проводились на частоте 20 ГГц с помощью генератора Г4-155, а также генератора шума ГШ-5. Выбор частоты обусловлен тем, что в этом диапазоне наиболее явственно проявляются электрофизические свойства связанной воды 16]. Немаловажное значение имело и продолжение исследований, начатых в [3,4].

Для исследования диэлектрической проницаемости, вариаций радиояркостной температуры собственного теплового излучения и коэффициента отражения засоленных песчаных почв был создан лабо-

раторный стенд, включающий в себя модернизированную термокамеру и установку, с помощью которых производились исследования. Вол-новодная ячейка помещалась между блоками двухкаскадной термобатареи, соприкасаясь широкими стенками волновода с холодной гранью термоохладителя ТЭМО-4. Термокамера была полностью теплоизолирована, регулировка температуры в ее рабочем объеме производилась автоматически с помощью электронного термостата, собранного на базе операционного усилителя КР1408УД1 с трехкаскадным усилителем мощности. Выбор ключевого режима работы термостата был обусловлен необходимостью управления токами до 6-7А, протекающими через ТЭМО-4. Конструкция термокамеры предусматривает работу с прямоугольными волноводами различного сечения (максимальный размер 26,5x12,5 мм2}. Температура образца измерялась с помощью термометра сопротивления, имеющего непосредственный контакт с образцом с точностью S 0,2°С.

Испытания продемонстрировали стабильную работу термокамеры

в диапазоне температур +50°С --25°С при токе через термобатарею

не превышающем 5А. При этом градиент температуры вдоль волновод-ной секции с образцом не превышал 0.5°С.

Измерения диэлектрической проницаемости образцов почвы проводились методом короткого замыкания и холостого хода С8], приращение радиояркостной температуры и коэффициента отражения на монохроматическом и шумовом сигнале радиометрическим методом с использованием модуляционного приемника £93. Относительная погрешность определения диэлектрической постоянной не превышала 10% от измеренного значения с во всем диапазоне изменения влажности, абсолютная погрешность составила ¿ 0,3. Флуктуационная чувствительность радиометра при постоянной времени т = 1с не превышала 1К.

В данной главе приводится также описание подготовки образцов к исследованиям и методики определения их основных параметров: влажности и засоленности. Определение влажности производилось термостатно-весовым способом, и относительная погрешность ее измерения не превышала 0,015 при W > 3%, а абсолютная - 0,4. Для исследования засоленных образцов было приготовлено четыре раствора соли CNaCl) с дистиллированной водой таким образом, что после увлажнения песка его засоленность по сухому остатку Z составила 0; 0,15; 0,3 и 1,3% соответственно. На данном этапе ис-

следований нами был выбран чистый песок с размерами гранул 0,3 -0,5 мм. Перед измерениями песок тщательно промывался и прокаливался в муфельной печи при температуре 110°С в течение 6 часов, после чего вновь дважды промывался дистиллированной водой, а затем разделялся на фракции.

Для изучения роли связанной воды и ее влияния на электрофизические свойства изучаемого объекта была иследована диэлектрическая проницаемость песка. На гранулы которого был нанесен тонкий слой парафина придающий поверхности гранул гидрофобные свойства. Представляя исследуемый песок в виде сферических гранул радиусом г, которые имеют гранецентрированную упаковку, масса требуемого парафина М для образования слоя толщиной Ь может быть рссчитана по формуле:

М = СЗ рп Ь УсЭ/Сг 0,7073} (13

где рп - плотность парафина; Ус - объем волноводной секции. Для Ь = 10 нм, рп = 0,9 г/см3, Чс = 4,356 см3 и г = 0,2 мм требуется 1,6 мг парафина. Полученное таким образом значение М было растворено в бензоле, в который затем был помещен сухой песок. Смесь находилась на воздухе вплоть до полного испарения растворителя. Приготовленный таким образом песок помещался в волновод-ную секцию и увлажнялся дистиллированной водой.

В третьей главе - "Исследование диэлектрических характеристик засоленного песка" приводятся результаты изучения диэлектрических характеристик песка в зависимости от влажности V/, температуры t и засоленности 2. Проведено обсуждение полученных результатов, при этом особое внимание уделено влиянию засоленности на аномальные диэлектрические свойства песка, при отрицательных температурах.

Исследование поведения диэлектрической проницаемости с песка, последовательно увлажненного растворами хлорида натрия различной концентрации, показало, что на зависимостях ¿СО наблюдается скачок е, связанный с замерзанием свободной почвенной влаги. Момент замерзания определялся по температурному скачку, сопровождающему фазовый переход вода-лед. Температура скачка 1 существенным образом зависит от степени засоленности образцов. Так,

например, при 2 = 1,3% - 1 % -9°С, 2 = 0,3% - « -3,5°С, 2

ск ск

= 0,15% - % -2° С, г - О % - -I -1°С. Отметим, что темпера-ск ск

тура замерзания слабо зависит от влажности песка.

Исходя из условия равновесия фаз Сравенство давлений, температур и химических потенциалов), понижение температуры 1 можно .качественно объяснить изменением энтропии системы вода-соль, которая увеличивается при увеличении концентрации соли Б. Результатом этих изменений и является тот факт, что раствор замерзает при более низкой температуре. Взаимодействие молекул воды с поверхностью гранул песка приводит к усилению этого эффекта и, следовательно, к более быстрому спаду зависимости Л (Б), кото-

Сл

рый наблюдался в наших экспериментах.

Исследование диэлектрической проницаемости мерзлого песка проводилось в диапазоне температур от 0°С до -20°С. На зависимостях £С1) незасоленного песка также наблюдалось увеличение диэлектрической проницаемости при понижении температуры, как и в [3, 4). Максимальные значения с' при 1=-18°С в 2-2,5 раза превосходили значения е' при комнатной температуре. Увеличение засоленности приводит к постепенному исчезновению наблюдаемого эффекта. По нашему мнению, механизм, описывающий влияние соли на аномальное поведение диэлектрической проницаемости песка при понижении температуры, основан на конкуренции двух тенденций: с одной стороны из связанной воды образуется лед с повышенным значением е, а с другой - увеличение концентрации соли в незамерзшем почвенном растворе приводит к уменьшению его диэлектрической проницаемости [103. Отметим, что основой для приведенного выше объяснения служит утверждение, что связанная вода, как и свободная, содержит растворенные соли. Следует заметить, что такая точка зрения разделяется не всеми исследователями.

Полученные при комнатной температуре зависимости еСЮ хорошо аппроксимируются двумя прямыми, пересекающимися в точке переходной влажности . Увеличение засоленности приводит к слабому смещению в сторону больших значений влажности, что связано с увеличением количества связанной воды в песке. Кроме" того, для засоленных образцов песка на зависимости еСЮ мы наблюдали максимум: для 2=1,ЗУ. при >М5%, а для 2=0,3% - при 1*МЗ%. Для 2=0% и 2=0,15% максимум практически не наблюдается. Заметим, что близкий результат был получен и в других работах, например С6], однако адекватного объяснения этому факту найдено не было. По нашему мнению, немонотоность электрических характеристик засоленных почв обусловлена иными причинами. Можно предположить, что

они связаны с процессами кристаллизации соли в почвенном растворе. С точки зрения теории 111] большинство растворов солей имеют предельную концентрацию, при достижении которой соль начинает осаждаться на образующихся зародышах кристаллов. Для их образования требуется большее пересыщение раствора, чем для роста кристаллов на уже имеющихся поверхностях. Заметим, что изменение концентрации раствора обратно пропорционально изменению его диэлектрической проницаемости е' [10]. Увеличение концентрации почвенного раствора соли может быть вызвано испарением влаги при высушивании лабораторных образцов. Т.к. диэлектрические свойства водных растворов солей являются определявшими в комплексной диэлектрической проницаемости почвы, то их изменение оказывает существенное влияние на диэлектрические свойства почвы в целом.

Предложенное объяснение носит качественный характер, однако становится понятным почему пики возникают именно в образцах увлажненных раствором соли и почему уменьшение концентрации раствора приводит к смещению пика в область меньших влажностей.

Четвертая глава - "Исследование радиофизических характеристик засоленного песка" содержит данные экспериментального исследования приращения радияркостной температуры ДТд и коэффициента отражения на монохроматическом RM и шумовом сигналах в зависимости от температуры t, влажности W и засоленности Z.

Радиофизические характеристики почв тесно связаны с вариациям их диэлектрических свойств. Установление корреляции между ними при изменении температуры, влажности и засоленности является необходимым условием достоверности и точности определения степени засоленности почвы по данным СВЧ - зондирования. Поэтому основным требованием данного эксперимента являлось точное соответствие условий его проведения тем, в которых измерялись диэлектрические характеристики песка.

Хорошо известно, что результаты исследования радиофизических характеристик почв методами активной и пассивной радиометрии можно представить как "позитив" и "негатив" исследуемой поверхности, которые не дублируют, а дополняют друг друга. Представленные в настоящей главе результаты изучения радиофизических характеристик засоленного песка являются продолжением выполненных ранее [43 исследований излучательных характеристик песчаных почв.

Анализируя поведение ДТ (t) следует сказать, что для неза-

Я

соленного песка при положительных температурах ДТд увеличивается с понижением I, а в отрицательной области имеет тенденцию к насыщению. Засоление исследуемого песка приводит к тому, что область насыщения исчезает, ДТд плавно увеличивается во всем температурном диапазоне. Полученные зависимости ДТдСО при 2*0% показывают явное сходство с аналогичными зависимостями реальных песчаных почв. Кривые ДТ СЮ для четырех значений 2 при 1=-15°С

л

расположились в порядке возрастания засоленности: чем больше засоленность, тем выше расположена кривая ДТ.СЮ относительно оси

Л

влажности. Такое чередование кривых обусловлено уменьшением коэффициента излучения м при увеличении Z [53. Все зависимости ДТ_СЮ при увеличении V плавно возрастают, а, начиная с влажное-

•Я

ти ~ 6-7%, имееют явную тенденцию к насыщению. Однако такой характер зависимости нарушается для кривой с 2=0'/.. На ней, в диапазоне влажностей 8-12%, наблюдается пик ДТ_, который также был зафиксирован в наших предыдущих исследованиях [43. Этот пик, по нашему мнению, связан с изменением диэлектрических свойств неза-соленного песка, т.е. с увеличением его диэлектрической проницаемости. В пользу высказанного предположения говорят результаты измерения коэффициента отражения на монохроматическом Км и шумовом Ищ сигналах от исследуемых образцов песка.

Сравнение зависимостей коэффициента отражения с соответствующими зависимостями диэлектрической проницаемости исследуемого песка показало, что на них наблюдаются одни и те же эффекты, обусловленные вариациями влажности, температуры и засоленности. Усреднение шумового сигнала в радиометре по более широкой полосе частот приводит к тому, что наблюдаемые в этом случае эффекты выражены менее ярко.

Суммируя вышесказанное можно констатировать, что определенный независимым образом ход изменения приращения радиояркостной температуры и коэффициента отражения от соответствующих параметров тождественен ходу диэлектрической проницаемости и, следовательно, обусловлен теми же физическими причинами.

Совокупность проведенных экспериментов позволила установить наличие высокой степени корреляции между диэлектрическими и радиофизическими характеристиками мерзлого песка, при изменении его температуры, влажности и засоленности. Это дает возможность адекватно сопоставить данные, получаемые при дистанционном зон-

дировании, с физическими параметрами изучаемого объекта и, тем самым, существенно повысить точность дистанционных измерений.

В пятой главе - "Моделирование температурных зависимостей диэлектрической проницаемости песка при отрицательных температурах" представлена электродинамическая модель мерзлой песчаной почвы, которая учитывает образование льда из связанной воды и позволяет объяснить, в первом приближении, результаты измерений температурных зависимостей диэлектрической проницаемости песка, увлажненного дистиллированной водой. Одним из доказательств высказанного в них предположения об образовании сегентоэлектричес-кого льда из связанной воды являются результаты измерения диэлектрической проницаемости песка, на гранулы которого был нанесен тонкий гидрофобный слой парафина.

Песок, охлажденный ниже температуры 1 < -1°С, является многофазной средой дисперсного типа с неоднородными кварцевыми зернами. Такая система, в первом приближении, может быть представлена в виде совокупности сферических кварцевых гранул со средним радиусом гг и диэлектрической проницаемостью ст , окруженных связанной водой Сг^,) и образовавшимся из нее льдом (г^,г^). При построении модели считалось, что воздух, свободная вода и лед, образовавшийся из нее, полностью отсутствуют.Это допущение оправдано, так как при тех значениях влажности, когда наблюдается увеличение с, вода в песке находится преимущественно в связанном состоянии, количество воздуха невелико С <8%) и уменьшается при понижении температуры.

За основу расчета диэлектрических свойств рассматриваемой смеси была взята формула [12], списывающая поведение комплексной диэлектрической проницаемости трехфазных матричных систем. Для выполнения расчетов по такой модели необходимо знание толщины пленки связанной воды и ее зависимости от температуры. Величина г при I = 0°С может быть вычислена из количества воды в песке Спри данной влажности) и суммарной площади поверхности гранул. Толщина пленки связанной воды экспоненциально зависит от температуры. Тогда, с учетом нормального распределения размеров гранул и их гранецентрированной упаковки, г зависит от влажности У и температуры 1 следующим образом:

г. = С1/С300 р^ЛИ о г 0,707э ехрСа О + г . С2)

I 'В "Л г у г

Здесь р„ и р^ плотности сухого песка и воды соответственно. ПаИ в

рамегр а характеризует интенсивность вымерзания связанной воды.

На основе данных, приведенных в литературе, значение действительной части комплексной диэлектрической проницаемости связанной воды е' было принято равным 2. Значение с^ было рассчитано по модели [123, используя экспериментальные значения для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости тех образцов песка, влага в которых находится только в связанном состоянии, и лед из нее еще не образовался. Среднее значение составило 0,33. В дальнейшем при проведении расчетов мы предполагали, что оно не зависит от температутуры.

Сравнение полученных экспериментальных значений с' и с" с расчетами, выполненными по предложенной модели, проводилось для трех значений влажности: 9,7%, 12,3% и 13%. Значения с^, при которых наблюдается наилучшее совпадение, составили 20^2, 24-.17, и 42.S-.j26 соответственно. Характерной чертой поведения расчетных зависимостей г'СО и е"(13 мерзлого песка является наличие области насыщения при 1 <-6°С, которая подтверждает наше предположение об экспоненциальном характере изменения толщины пленки связанной воды при понижении температуры.

Следует заметить, что не все экспериментальные кривые удовлетворительно описываются предложенной моделью. В частности, для некоторых кривых область насыщения отсутствует. На наш взгляд, это свидетельствует о том, что е^ зависит от 1. Предложенная модель служит лишь первым приближением к решению задачи о диэлектрических свойствах мерзлого песка. Совершенствование модели возможно при учете зависимостей ет, е^ и от частоты и при адекватном учете четвертой фазовой компоненты - воздуха.

Анализируя диаграмму состояний воды при Ъ < 0°С, можно предположить, что в условиях наших экспериментов, возможно существование льда V, Он образуется в интервале температур 0°... -60°С и давлений 3,7...6,0 кбар, имеет моноклинную кристаллографическую структуру, плотность 1,23 г/см3 и статическую диэлектрическую проницаемость як 144. Возможно также, что мы имеем дело с еще более плотным типом льда - льдом VI, возникающим при тех же температурах и давлениях выше 6-7 кбар. Идентификация типа льда, образующегося из связанной воды на поверхности гранул песка представляет собой отдельную задачу и выходит за рамки наших исследований.

В целях проверки нашего предположения об определяющей роли связанной воды в процессе формирования сегентоэлектрического льда был проведен цикл измерений диэлектрической проницаемости песка в зависимости от влажности и температуры. Предварительно на гранулы наносился если тонкий гидрофобный слой парафина. В эксперименте не было отмечено какое бы то ни было возрастание диэлектрической проницаемости в диапазоне влажностей от 0 до 20% при понижении температуры до -20°С.

Если принять во внимание, что нанесение гидрофобного покрытия на поверхность гранул песка приводит к существенному уменьшению количества связанной воды в нем, то полученный , результат свидетельствует о том, что именно она является основной причиной аномального возрастания диэлектрической проницаемости при понижении температуры.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведен комплекс лабораторных исследований электрофизических характеристик песка в зависимости от влажности, температуры и степени засоленности.

2. 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 -25°С.

3. Разработаны и апробированы методики приготовления образцов засоленного песка и нанесения на поверхность почвенных гранул гидрофобного покрытия нанометровой толщины.

4. Экспериментально установлено линейное понижение температуры замерзания почвенной влаги с ростом степени засоленности.

5. Показано, что засоленность 2 > О,15% приводит к постепенному уменьшению наблюдавшегося аномального роста комплексной диэлектрической проницаемости и коэффициента отражения песка при понижении температуры в отрицательной области; проведено детальное исследование этого эффекта.

6. Предложено качественное объяснение немонотонного поведе-

дения комплексной диэлектрической проницаемости и коэффициента отражения засоленного песка при положительных температурах, в котором учитываются изменения s почвенного раствора, обусловленные особенностями происходящих в ней кристаллизационных процессов.

7. Установлена высокая степень корреляции коэффициента отражения и приращения радиояркостной температуры исследуемого песка с его диэлектрическими характеристиками в широком диапазоне изменения температур, влажностей и засоленностей.

8. Обнаружено, что радиофизические характеристики реальной песчаной почвы могут определяться наличием солей в ней.

9. На основе матричных представлений разработана электродинамическая модель комплексной диэлектрической проницаемости мерзлого незасоленного песка, которая объясняет, в первом приближении, аномальное поведение его электрофизических характеристик при отрицательных температурах.

10. Экспериментально доказана определяющая роль связанной воды в процессе образования льда, который обладает иными электрофизическими свойствами, чем обычный лед. Высказана гипотеза о том, что им может быть исследовавшийся ранее как объемный сегне-тоэлектрический лед V.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1.Ильин В.А. , Слободчикова C.B., Сосновский D.M., Эткин B.C. Лабораторная установка для измерения температурных зависимостей электрических характеристик почв. Тез. докладов научно-технической Конференции. Саранск. 1993. С. 88.

2. Сосновский Ю. М., Эткин В.С. Влияние степени засоленности на радиофизические характеристики почвогрунтов в СВЧ диапазоне волн. Тез. докладов XVII Конференции по распространению радиоволн. Ульяновск. 1993. Т. 3. С. 89.

3. Бобров П. П. , Гидлевский А. В. , Сосновский Ю. М. , Щеткин И. М. Диэлектрические и радиояркостные характеристики частично промерзших почв. Тез. докладов XVII Конференции по распространению радиоволн. Ульяновск. 1993. Т. 3. С. 90.

4.Сосновский Ю.М. Расчет и измерение диэлектрической проницаемости влажных грунтов. Тез. докладов областной студенческой нау-

чной конференции. Омск. 1990. С. 54.

5. Ilyin V. А., Sosnovsky Yu.M. Laboratory studies of salinity influence on dielectric characteristics of sand. Abstract of IGARSS'94, Pasadena. USA. 1994. P. 176.

6. Мирский Г. И. , Павленко В. И. , Сосновский Ю. М. , Эткин В. С. Термостат для измерения характеристик диэлектриков на СВЧ. у/ Радиофизика и исследование свойств вещества. Омск. 1994. С. 49-52.

7. Ильин В.А., Сосновский Ю.М. Об одном механизме влияния засоленности почв на их диэлектрические характеристики. // Радиофизика и исследование свойств вещества. Омск. 1994. С. 44-49.

8. Ильин В. А., Сосновский Ю.М. Лабораторные исследования влияния степени засоленности на диэлектрические свойства песка в СВЧ диапазоне волн. // Радиотехника и электроника. 1995. Т.40 N.1. С. 48-54.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. -М.: Наука. 1986. -189 с.

2. Иоффе Я. А. Мы и планета: цифры и факты. -М..- Политиздат. 1985. -224с.

3. Ильин В.А., Слободчикова С.В., Эткин В.С. Лабораторные исследования электрофизических характеристик мерзлых песчаных почв. ИКИ РАН. Пр. -1883. 1994. -50с.

4. Слободчикова С. В. Диэлектрические и излучательные свойства мерзлых песчаных почв в СВЧ - диапазоне волн.: Дис. канд. ф.-и. наук. -М.: 1993. -148с.

5. Реутов ЕгА. , Шутко А. М. Теоретические исследования СВЧ - излучения однородно увлажненных засоленных почв. // Исследование Земли из космоса. 1990. N, 3. С. 73-81.

6. Бобров П. П., Масленников Н. М. , Сологубова Т. А, Эткин B.C. Исследование диэлектрических характеристик почв в области перехода влаги из свободной в связанную на сверхвысоких частотах. // ДАН СССР. Т. 34. N 5. 1989. С. 1116-1119.

7. Wang J. R. , Schmugge Т.J. An Empirical Model for the Complex Dielectric Permittivity of Soils as a Function of Water Content. //IEEE Trans, on Geosc. and Rem. Sen. 1980. V. GE-18. N. 4 P.288-295.

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

9. Есепкина Н. А. , Корольков Д. В. , Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. - М. -• Наука. 1973. -415 с.

10. Ашеко А.А., Шарков Е.А., Мороз В.В. Диэлектрические и радиотепловые свойства электролитных систем на частоте 9,5 ГГц. ИКИ РАН. Пр. -1578. 1989. -44с.

11.Кузнецов В. Д. Кристаллы и кристаллизация. -М.: Гос. изд-во тех. -теор. лит-ры. 1953. -412с.

12. Tinga W. R. , Voss W. A. G. , Blossey D. F. Generalized approach to multiphase dielectric mixture theory. // J. Appl. Phys. 1973. V. 44. N. 9. P. 3897-3902.