Geum.ru
   Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Суточная динамика радиояркостной температуры почв в процессах испарения и инфильтрации, замерзания и оттаивания

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

Ященко Александр Сергеевич

СУТОЧНАЯ ДИНАМИКА РАДИОЯРКО С ТНОИ

ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВ В ПРОЦЕССАХ

ИСПАРЕНИЯ И ИНФИЛЬТРАЦИИ, ЗАМЕРЗАНИЯ

И ОТТАИВАНИЯ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Омск-2009


2

Работа выполнена в Омском государственном педагогическом университете на

кафедре общей физики физического факультета и Лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики

им. Л.В. Киренского СО РАН


Научный руководитель:

Научный консультант:


доктор физико-математических наук, профессор,

Бобров Павел Петрович. доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Миронов Валерий Леонидович.



Официальные оппоненты:


доктор физико-математических наук, профессор, Бордонский Георгий Степанович.

кандидат физико-математических наук, доцент, Кулагин Валерий Николаевич.


Ведущая организация:а Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский

филиал, г. Фрязино, Московская обл.

Защита диссертации состоится л10 июня 2009 г. в 15:00 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 212.179.05 при Омском государственном университете имени Ф.М. Достоевского по адресу: 644077, г. Омск, ул. Нефтезаводская, 11, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУ им. Ф.М. Достоевского по адресу: 644077, г. Омск, пр. Мира, 55А, корп. 1.

Автореферат разослан лаа мая 2009 года.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организаций, просим присылать в 2-х экз. на адрес университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета СВ. Кривальцевич


3

Актуальность исследования

В настоящее время серьезную экологическую проблему представляет глобальное потепление климата и процессы, связанные с ним: изменяется среднегодовая температура, количество осадков, скорость и преимущественное направление ветра. Поскольку изменение указанных параметров приводят к довольно быстрому изменению структуры и качества почвы, возникает необходимость контролировать состояние значительных площадей поверхности Земли.

Поскольку при повышении температуры уменьшается среднегодовой период с отрицательными среднесуточными температурами, происходит уменьшение сроков нахождения почв в замерзшем состоянии. Вследствие того, что процессы замерзания и оттаивания в приполярных районах определяют до половины теплового баланса, актуальная информация об указанных процессах представляет интерес для моделирования климата и изучении потоков тепла и влаги между подстилающей поверхностью и атмосферой.

Для контроля состояния почвы наиболее приемлемым и экономически выгодным решением является использование технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основными преимуществами применения в исследовании почв дистанционного микроволнового метода являются глобальность, всепогодность, возможность получения информации в любое время суток.

В последние годы проводятся и планируются к проведению серии крупномасштабных экспериментов по исследованию влажности почвы. Основной целью этих экспериментов является оценка возможности дистанционного картирования влажных почв в планетарном масштабе с помощью радиометров сантиметрового и дециметрового диапазонов, установленных на космических аппаратах (программы SMOS и Aquarius). Большую роль в повышении точности определения влажности играет информация о гидрофизических и диэлектрических свойствах разных почв, поэтому исследование методов, позволяющих оценивать эти свойства почв дистанционными радиометрическими методами, является актуальными.

Полученные в ходе выполнения экспериментальных исследований результаты могут быть использованы для развития алгоритмов дистанционного восстановления гидрофизических характеристик почвогрунтов, повышения точности определения влагосодержания почв, что в свою очередь может найти применение в сельском хозяйстве, метеорологии, климатологии.

Объектом исследования является суточная динамика излучательных характеристик разных почв в процессах испарения и инфильтрации, промерзания и оттаивания.

Цель исследования заключалась в разработке дистанционных радиофизических методов исследования гидрофизических характеристик почв.


4

Задачи диссертационной работы

  1. Исследовать суточный ход радиояркостной температуры различных почв в процессах испарения и инфильтрации, промерзания и оттаивания.
  2. Провести долгосрочные исследования радиофизических характеристик почв, загрязненных нефтепродуктами в процессе деструкции углеводородов.
  3. Разработать численные модели суточного хода радиояркостных температур почв в естественных процессах.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:

  1. Показано, что амплитуда суточных колебаний радиояркостной температуры почв в сантиметровом диапазоне, временной сдвиг максимумов или минимумов коэффициента излучения относительно максимумов или минимумов термодинамической температуры определяется влажностью почвы и содержанием органики.
  2. Впервые установлено влияние степени деструкции углеводородов почвы, загрязненной нефтепродуктами, на временные и частотные зависимости радиояркостной температуры.
  3. Впервые разработан дистанционный радиометрический метод раздельного определения количества свободной и связанной воды в почвах.
  4. Разработаны и запатентованы методы более точного определения влажности и оценки почвенных гидрологических констант: влажности устойчивого завядания и максимальной гигроскопичности, используя данные радиометрических измерений до и после промерзания.
  5. Впервые разработан способ оценки скорости промерзания поверхностного слоя почвы при наличии априорной информации о влажности почвы перед промерзанием

Положения, выносимые на защиту

  1. Экспериментально измеренные характеристики суточных колебаний радиояркостных температур (амплитуда и временные сдвиги между коэффициентом излучения и радиояркостной температурой) суточных колебаний радиояркостной температуры почв в сантиметровом диапазоне.
  2. Экспериментально измеренные частотные зависимости радиояркостной температуры почв, загрязненных нефтепродуктами, зависящие от степени деструкции углеводородов, входящих в состав загрязнителей.
  3. Дистанционный радиометрический метод раздельного определения связанной и свободной воды в почвах.
  4. Способ повышения точности определения влажности почв дистанционным радиометрическим методом, основанный на измерении радиояркостной температуры до и после промерзания.

5

Х Дистанционный радиометрический метод определения влажности устойчивого за-вядания и максимальной гигроскопичности почв.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов для развития алгоритмов дистанционного восстановления гидрофизических характеристик почвогрунтов и повышения точности определения влагосодержания почв, что в свою очередь может найти применение в сельском хозяйстве, метеорологии, климатологии.

Включенные в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ в рамках: НИР, включенных в план Минобразования (per. № 01.2.00 316426, № 01.2.00 01819), проекта "Разработка методов космической радиолокации и радиометрии территории Сибири" по Федеральной целевой программе Интеграция (per. № 01.2.00 316402) в течение 2002-2003 гг., НИР "Разработка новых высокоинформативных методов и программно-аппаратных средств микроволновой радиометрии для мониторинга биогеохимических циклов приполярных территорий Сибири шифр 2005 РИ. 12.0/001/008

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и подходов, подтверждается согласием расчетных и измеренных значений, строгим учетом погрешностей, совпадением ряда экспериментальных данных, с данными полученными другими исследователями.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на международных и всероссийских конференциях, а именно: Всероссийские конференции Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Москва 2005, 2006, 2007, 2008), Международные научно-практические конференции Актуальные проблемы радиофизики (Томск 2006, 2008), XIV Международный симпозиум Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы (Республика Бурятия, 2007), Четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых. (Уфа 2008), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'05) (Seoul, Korea, 2005), IGARSS'06 (Denver, Colorado, 2006), Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS'09, Beijing, China, 2009) а также на научных семинарах совместной лаборатории микроволновой радиометрии Земли ОмГПУ и КН - СО РАН (2006, 2007, 2008).

ичный вклад автора. Автор в составе коллективов совместной лаборатории ОмГПУ и Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, лаборатории РДЗ Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований, результаты которых приведены в работе. Обработка результатов экспериментов, разработка технологии компьютерного моделирования проводилась автором самостоятельно.


6

Публикации

По теме диссертации опубликовано 30 печатных и рукописных работ, в их числе 1 препринт, 2 патента на изобретение, 13 статей, 10 тезисов докладов на конференциях. Из них 4 статьи опубликованы в изданиях относящихся к перечню ВАК.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 136 наименований. Объем диссертации составляет 140 страниц, включая 41 рисунок и 6 таблиц.

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, проводится анализ состояния исследований по изучаемой проблеме, формулируются цели и задачи исследования. Оценены научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. Обозначены основные положения диссертации, выносимые на защиту. Дана общая характеристика работы.

В первой главе диссертации Водно-физические и радиофизические характеристики почв приводится обзор литературы по гидро- и радиофизическим характеристикам почв, и методам микроволнового радиометрического зондирования. В разделе 1.1 рассмотрены гидрофизические характеристики различных типов почв, влияние на них содержания гумуса, рассматриваются особенности миграции влаги при положительных и отрицательных температурах. В разделе 1.2 приведены литературные данные об основных моделях комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почв и о влиянии на КДП гранулометрического состава, содержания гумуса, различных загрязнений. Раздел 1.3 посвящен анализу моделей излучения почв. Приведены литературные данные о состоянии современных знаний по моделированию динамики радиояркостной температуры и возможности определения различных гидрофизических характеристик почв. Показано, что основные достижения технологии дистанционного радиометрического зондирования поверхности Земли касаются возможности определения влажности почвы в поверхностных слоях. Отдельные работы посвящены вопросу радиометрического исследования мерзлых почв. Влияние органического вещества содержащегося на поверхности (листовой и хвойный опад) и в толще (гумус) почвы на динамику радиояркостной температуры в процессе испарения почвенной влаги рассматривается лишь в единичных работах. Проблема дистанционного определения гидрофизических констант практически не изучена. На основании проведенного анализа были поставлены задачи диссертационного исследования.

Во второй главе Методика проведения экспериментальных и модельных исследований приводится описание экспериментальной установки, методика проведения радиометрических измерений, произведена оценка погрешности измерений.

В разделе 2.1. приведено описание экспериментальной установки и исследуемых участков. Комплекс №1 включал в себя радиометры на длины волн 3,6, 5, 11 см, при-


7

нимающих восходящее радиотепловое излучение под углом 10 от надира на горизонтальной поляризации. Измерения на комплексе №2, в состав которого входили радиометры на длины волн 4,33 и 21 см, проводились под углом 45 от надира на двух ортогональных поляризациях. Полигон №1 включал в свой состав четыре тестовых участка: суглинистую богатую гумусом почву (участок А. 1, содержание гумуса 6,6%), суглинистую бедную гумусом почву (участок А.2, содержание гумуса 0,6 %), песчаную почву (А.З), почву богатую гумусом, загрязненную нефтепродуктами (участок А.4). Полигон №2 включал три тестовых участка. Участок Б.1 представлял собой почву естественного сложения участок (суглинок с содержанием гумуса 6,1%), Б.2 -почву естественного сложения с поверхности которой был удален гумусный слой (суглинок с содержанием гумуса 0,6%); участок - Б.З почву естественного сложения, покрытую слоем лесного опада толщиной 1-1,5 см. В разделе 2.2 дано описание методики проведения радиометрических измерений, применяемой при исследовании характеристик различных почвогрунтов, проведена оценка погрешности измерений.

Периодичность измерения радиояркостной температуры Тя определялась скоростью ее изменения и составляла от 7 минут до 1 часа. Калибровка радиометров осуществлялась по физическим эталонам с периодичностью от одного до нескольких раз в сутки. В качестве эталонов излучения использовались металлический лист и гладкая поверхность водного бассейна. Радиояркостная температура металлического эталона полностью определяется отраженным излучением неба, складывающимся из реликтового излучения Вселенной и излучения атмосферы. Согласно оценкам, приведенным в работе [5], яркостная температура неба в этом диапазоне длин волн составляет 3..5 К. Радиояркостная температура Тя гладкой водной поверхности рассчитывалась по формулам Френеля, а КДП воды - по модели Дебая.

Измерение термодинамической температуры почв электронными термометрами совместно и температурными датчиками метеостанции Campbell Scientific Inc (комплекс №2). Объемная влажность образцов почв определялось термостатно-весовым методом.

В разделе 2.3 приведено описание применявшихся моделей излучения, а так же описание работы программы моделирования. В процессе моделирования почва считалась изотермической плоскослоистой средой, с постоянным значением (КДП), в пределах каждого слоя. Значения КДП каждого из слоев определялись в результате дискретизации известного непрерывного профиля КДП почвы на слои с толщиной от 1 до 10 мм, с последующим усреднением значением диэлектрической проницаемости в каждом слое. Радиояркостную температуру изотермической плоскослоистой среды с резкими границами можно рассчитать через коэффициент отражения плоской волны от такой среды:

T.=(l-R)-T,(1)


2

где Т - термодинамическая температура среды, R= г'й - комплексный коэффициент

отражения по мощности, г0- коэффициент отражения по амплитуде. Коэффициент

отражения по амплитуде от многослойной структуры вычисляется путем многократного применения выражения для коэффициента от двухслойной среды [3], имеющего в случае гладкой верхней границы вид

ri = r0 + r/exp^j^AZ) 1 + r0r/exp(-2j'г1AZ)'

где г0' - коэффициент отражения по амплитуде многослойной среды на границе почва-воздух (по амплитуде), г0 - френелевский коэффициент отражения на этой границе, г/ - коэффициент отражения многослойной среды, лежащей ниже первого слоя и

определяемый по аналогичной формуле;а кг = k0^e-sm2e,а AZа - волновое число и

толщина первого слоя соответственно, - комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) слоя, в - угол зондирования. Профиль диэлектрической проницаемости определялся отдельно для каждого из модельных случаев.

Расчет радиояркостнои температуры осуществлялся лишь на центральных частотах радиометров, поскольку относительная ширина полосы пропускания радиометров не превышала 2%. Излучение представлялось плоской электромагнитной волной. Поскольку учет диаграммы направленности антенн давал приращение расчетной Тя не более чем на 1-3К, что не превышало погрешности экспериментальных измерений.

В третьей главе Суточная динамика радиояркостнои температуры почв при положительных температурах приведены результаты исследования временного хода радиояркостнои температуры различных типов почв в процессах испарения и инфильтрации почвенной влаги. В летний период ход радиояркостнои температуры определяется суточными изменениями термодинамической температуры поверхности и объемной влажности верхнего слоя.

В разделе 3.1 рассматривается особенность временного хода радиояркостнои температуры почв с различным содержанием гумуса. Показано, что почвы, существенно различающиеся содержанием гумуса и находящиеся в одинаковых метеоусловиях, отличаются как мгновенными значениями яркостной температуры, так и значениями суточной амплитуды колебаний яркостной температуры (см. рисунок 1). Причина этого заключается в том, что почва с более высоким содержанием гумуса имеет меньший коэффициент отражения в оптическом диапазоне и сильнее нагревается в дневное время. Благодаря этому, а также из-за более высокой пористости почвы поверхностный слой гумусной почвы высыхает быстрее, что приводит к уменьшению КДП и увеличению коэффициента излучения. В ночные часы из-за более высокой из-лучательной способности гумусной почвы в ИК-диапазоне температура ее поверхности меньше, чем малогумусной почвы. Вследствие этого амплитуда суточных колеба-


9

ний яркостной температуры почвы с более высоким содержанием гумуса, как правило, выше, чем у почвы, бедной гумусом. Особенно четко это выражено в излучении на вертикальной поляризации. Максимальные значения суточных амплитуд как первого, так и второго участков наблюдаются в периоды интенсивного испарения после выпадения осадков (5-6 сентября и 16-18 сентября). В процессе анализа данных установлено, что в период интенсивного испарения амплитуды суточных колебаний радиояркостной температуры гумусной почвы больше амплитуд малогумусной почвы в среднем в 1,2 раза на горизонтальной поляризации и в 1,3 на вертикальной.


6 сен 0:00

11 сен 0:00

16 сен 0:00

at, к


т,к-


а)аа б)

Рисунок 1 - Суточные амплитуды радиояркостной температуры на горизонтальной (а) и вертикальной (б) поляризации. 1 - участок 1 (содержание гумуса 6,03 %);2 - участок 2 (содержание гумуса 0,52 %). -4гуМ, ^4мум - среднесуточная амплитуда радиояркостной температуры в период интенсивного испарения влаги для гумусной почвы и малогумусной почвы соответственно

Также было обнаружено, что экстремальные значения радиояркостной температуры и коэффициента излучения сдвинуты друг относительно друга по шкале времени. Как правило, максимумы коэффициента излучения приходятся на более поздние моменты времени; максимальные значения радиояркостной температуры (в разные дни) наблюдались с 15 до 18 часов, а максимальные значения коэффициента излучения наблюдались с 18 до 20 часов. Это говорит о том, что испарение почвенной влаги превышало ее поток из более влажных нижележащих слоев вплоть до момента времени соответствующего максимуму коэффициента излучения. В вечерние часы поток влаги из нижележащих слоев превышал испарение, вследствие чего коэффициент излучения почвы начал уменьшаться. Момент минимума коэффициента излучения наблюдался в 9-10 часов утра следующего дня, причем минимумы радиояркостной температуры и коэффициента излучения также были сдвинуты друг относительно друга. Наилучшая корелляция между величиной сдвига и объемной влажностью почвы наблюдалась у гумусной почвы.

Таким образом, было установлено, что в процессах инфильтрации влаги радио-яркостная температура почвы, богатой гумусом, уменьшается сильнее, чем у малогумусной. В процессе испарения влаги амплитуда суточных колебаний радиояркостной температуры гумусной почвы больше, чем у малогумусной. Так же установлено, что


10

величина сдвига временного хода коэффициента излучения относительно временного хода радиояркостной температуры зависит от влажности почвы и содержания гумуса. Зависимости временного сдвига от влажности характерны для структурных почв с высокой пористостью.

В разделе 3.2 приведены результаты исследований суточной динамики радиояркостной температуры почвы, покрытой лесным опадом. Поскольку проведение измерений радиояркостной температуры непосредственно в лесном массиве невозможно вследствие отсутствия сильного контраста теплового излучения почвы и теплового излучения неба, закрытого лесным пологом, тестовый участок был создан за его пре-делами. В процессе подготовки тестового участка с площадки размером 5x5 м , находящейся на лесной поляне, был удален слой дерна толщиной 20 см, а на его место уложены почвенные пласты такой же толщины, взятые из прилегающего лесного массива.

Экспериментальные исследования показали, что у почвы, покрытой опадом, сдвиг между суточным минимумом термодинамической температуры и коэффициентом излучения увеличился до 11-12 часов, т.е. максимумы радиояркостной температуры приходятся на ранее утро, а минимумы - на вечерние часы. Это говорит о том, что радиояркостная температура Тя = % ж Т определяется в большей степени коэффициентом излучения %, чем термодинамической температурой Т. Временной ход коэффициента излучения почвы, покрытой опадом, приведен на рисунке 2.

22 авг 23 авга 24 авга 25 авга 26 авга 27 авг 28 авг

0:00 0:00аа 0:00а 0:00а 0:00а 0:00а 0:00

Рисунок 2 - Временной ход коэффициента излучения почвы, покрытой хвойным опадом, на горизонтальной поляризации на частотах 6,9 ГГц (1) и 1,4 ГГц (2); временной ход термодинамической температуры опада на глубине 0,5 см (3)


11

Проведенное численное моделирование показало, что удовлетворительное согласование модельных и экспериментальных данных наблюдается в том случае, если росту радиояркостной температуры соответствует рост диэлектрической проницаемости лесного опада. Возрастание коэффициента излучения участка при росте диэлектрической проницаемости тонкого слоя опада в утренние часы объясняется просветляющим действием слоя опада. Особую роль играет частично перегнивший слой, КДП которого выше, чем у слоя хвои. В моменты максимумов коэффициента излучения на частоте 1,4 ГГц, наблюдаемых в Зч 30м и 10ч 00м, диэлектрическая проницаемость частично перегнившего слоя имеет промежуточное значение между КДП воздуха и нижележащей почвы, а его толщина кратна нечетному числу четвертей длин волн в среде. Увеличение влажности хвойного опада может происходить как вследствие выпадения атмосферных метеоров в виде росы, так и вследствие неизотермического переноса почвенной влаги из нижележащих слоев.

В разделе 3.3 приведены результаты исследования временного хода радиояркостной температуры гумусной почвы, загрязненной нефтепродуктами, (минеральное масло марки М-8В). Загрязнение осуществлялось путем распыления масла над воздушно-сухой почвой. На рисунке 3 приведены результаты экспериментов, проводившихся при различной толщине загрязненного слоя. Как можно видеть, яркостные температуры (Тя) загрязненного и незагрязненного участков перед поливом практически не отличались. После увлажнения участков одинаковым слоем воды (20 мм) яркостная температура незагрязненного участка снизилась на всех длинах волн до величины 140-150 К.


тяк


ттк


t=^



265


265


^г^



220

175


жж..


--жж-3

--D-4


220

175


-ж-1

-*-г

-жжж3

ж-Q-4


ж ? ж


130


130



А, см


А, см


Рисунок 3 - Радиояркостные температуры загрязненного маслом и незагрязненного участков на разных длинах волн (а - первый этап загрязнения; б - второй этап загрязнения). 1, 2 - загрязненный и незагрязненный участки перед поливом; 3, 4 - загрязненный и незагрязненный участки сразу после полива

Яркостная температура загрязненного участка заметно снизилась лишь на длине волны 11 см и имела величину 180 К при толщине загрязненного слоя 3-4 см (рис. 3 а).


12

Такое различие в излучательных характеристиках загрязненного и чистого участков обусловлено сильным изменением структуры поверхностного слоя почвы при загрязнении. Поверхностные почвенные агрегаты, загрязненные маслом, перестают впитывать воду и не распадаются при поливе, поэтому структура шероховатости поверхности не изменяется. Из-за сильных водоотталкивающих свойств поверхностный слой загрязненной почвы увлажняется мало, а большая часть воды впитывается нижележащей незагрязненной почвой. Поэтому полив загрязненной почвы привел к заметному снижению радиояркостной температуры только на длине волны 11 см, глубина зондирования на которой выше, и на яркостную температуру оказывает влияние нижележащий слой влажной незагрязненной почвы. Увеличение толщины загрязненного слоя приводит к меньшему падению яр костной температуры при поливе (рис. 36).

Описанные выше эксперименты проводились с почвой, загрязненный слой которой находился в рыхлом состоянии. Зачастую при высокой степени загрязненности нефтепродуктами на поверхности почвы образуется корка с низкой водопроницаемостью. Такая корка на поверхности исследуемого участка обнаружилась весной 2005 года после схода снежного покрова.

После увлажнения эквивалентным слоем воды в 6 мм у почвы, загрязненной маслом, была отмечена низкая скорость инфильтрации (вода находилась на поверхности загрязненной почвы существенно большее время, чем на поверхности чистой почвы). После исчезновения поверхностной влаги измеренные значения радиояркостной температуры на всех длинах волн оказались на 30-50 К ниже, чем у незагрязненной почвы.

В отличие от результатов летнего эксперимента предыдущего года загрязненная почва после полива является более "холодной", то есть ее яркостная температура меньше, чем у чистой. Деструкция углеводородов приводит к тому, что через 2-3 года после загрязнения почва становится более рыхлой, толщина гидрофобного слоя уменьшается и характер суточных изменений радиояркостной температуры подобен характеру ее изменения для рыхлопесчаных почв. Установленные в процессе исследования зависимости могут быть полезны при разработке алгоритмов выявлении областей загрязнения нефтепродуктами дистанционными радиометрическими методами.

В четвертой главе Суточный ход радиояркостной температуры почв в процессах замерзания и оттаивания приведены результаты исследования временного хода радиояркостной температуры в период весенних и осенних заморозков. В разделе 4.1 рассматриваются особенности временного хода радиояркостной температуры различных типов почв в процессах однократного и циклического замерзания - оттаивания. Сравнительный анализ данных, полученных на двух длинах волн, выявил различия в скорости изменения Тя в процессах замерзания и оттаивания. На рисунке 4 приведены данные о коэффициентах излучения, определяемых как y^TJT, гдеаа Т -


13

is

0,7а 0,8а 0,9а Х2(6,9ГГц)

Рисунок 4 - Взаимосвязь коэффициентов излучения на частотах 1,4 ГГц (%i) и 6,9 ГГц (%2)- Темные квадратики - промерзание, горизонтальная поляризация, светлые кружки -оттаивание, горизонтальная поляризация, светлые квадратики - промерзание, вертикальная поляризация, крестики - оттаивание, вертикальная поляризация, светлые треугольники - промерзание, вертикальная и горизонтальная поляризация (моменты осцилляции радиояркостной температуры)

термодинамическая темпера

тура почвы. Значения коэффи

циента излучения измерены за

время 5-ти циклов промерза

ния и 4-х циклов оттаивания на

двух поляризациях. Значения

коэффициентов излучения,

приходящиеся на максимум

осцилляции, отмеченные на

рисунке 4 прозрачными тре

угольничками, приведены

лишь для одного (5-го) цикла

промерзания. Из-за различной

глубины зондирования на на

чальном этапе промерзания ко

эффициент излучения на час

тоте 6,9 ГГц растет быстрее, чем на частоте 1,4 ГГц. В процессе оттаивания измене

ние коэффициента излучения на частоте 1,4 ГГц происходит быстрее, чем при про

мерзании, так как оттаивание промерзшего слоя происходит сверху и снизу и обе та

лые среды находятся в пределах глубины зондирования.

В разделе 4.2 описан процесс моделирования радиотеплового излучения в процессах промерзания-оттаивания и приведены его результаты. В процессе моделирования профиль диэлектрической проницаемости задавался выражением подобным приведенному в [1]:

г\\


1

1

,(3)

хаа xfr

(х) = щх2 +blx + cl)+ \{а2х2 + Ь2х + с2)- {ахх + Ьхх + сх)) Х

Q

1 + ехр

;))

где ahbhсi, а2, b2, с2 - коэффициенты при полиномах описывающих зависимость диэлектрической проницаемости мерзлой почвы (индекс 1) и незамерзшей почвы (индекс 2) от глубины, х - координата глубины, отсчитываемая от поверхности, Xfr- глубина промерзания, Q- параметр, определяющий толщины переходного, частично промерзшего слоя (переходный слой имеет толщину равную 10(7). Полиномы, описывающие зависимость КДП от глубины, строились с помощь рефракционной модели по экспериментально измеренному профилю влажности. Характерный вид профиля диэлектрической проницаемости в процессах замерзания и оттаивания приведен на рисунке 5. Низкие значения (х) соответствуют промерзшему состоянию. Профиль 4 (в процессе оттаивания) имеет несколько большие значения ДП, что обусловлено уче-


14


том неизотермического переноса влаги к холодному фронту. Проведенное моделирование показало принципиальную возможность оценки глубины и скорости промерзания по данным непрерывных радиометрических измерений, а так же влияние неизотермического переноса влаги к холодному фронту на радиояркостную температуру.

Как следует из данных приведенных на рисунке 6, экспериментально измеренные значения толщины мерзлого слоя лежат между верхней и нижней границами переходного слоя, координаты которого получены при моделировании на частотах 1,4 и 6,9 ГГц. Границы переходного слоя определялись по координатам точек перегиба зависимости ДП от глубины (3).

В разделе 4.3 приведены результаты исследования временного хода радиоярко-

X, мм

Рисунок 5 - Зависимость действительной части диэлектриче ской проницаемости почвы от глубины перед промерзаниемаа чем (1) в процессе промерзания (2 - глубина промерзания 45 мм, 3 глубина промерзания 65 мм) и оттаивания (4)

10 окт 0:00

11 окт 0:00

12 окт 0:00

-0,02

стной температуры почвы, загрязненной нефтепродуктами, в процессах замерзания-оттаивания. Установлено, что максимумы радиояркостной температуры загрязненного участка сдвинуты на более поздние моменты времени относительно максимумов незагрязненного. Следовательно, скорость промерзания загрязненной почвы меньше, незагрязненной. Поскольку влажности почв были практически одинаковы, причиной меньшей теплопроводности загрязненной почвы является более высокая пористость.

3а -0,04

!

-0,06

-0,08

Рисунок 6 - Движение границ слоев в процессе промерзания по

данным эксперимента (1, 2) и восстановленная в процессе мо

делирования (3, 4) 1-Координаты нижней границы замерзшего

слоя, 2 - координаты нижней границы оттаявшего слоя, 3-

координаты нижней границы замерзшего слоя, 4 - координаты двух СОСТОЯНИЯХ: свободном и

нижней границы переходного слоя связанном.а Свойства свобод-

В разделе 4.4. приведено описание дистанционного радиометрического метода определения связанной и свободной воды в почвах и оценки почвенных гидрологических констант. Как известно [4] вода в почве находится в


15


ной и связанной воды сильно различаются. В частности, связанная вода начинает замерзать при более низких температурах, а в диапазоне от +20 до -5 С ее диэлектрическая проницаемость изменяется слабо. Если почва содержит некоторую объемную долю свободной воды Wu=W-Wt, где W- полная объемная влажность, Wt- максимальное содержание связанной воды в почве, то в соответствии с рефракционной моделью [4] комплексный показатель преломления п = 4ё =п + ук незамерзшей почвы ( Ч КДП) можно определить следующим образом:

i=лt+K-l)-^H,а Ki=Kt+KH-^H (4)

где л,ИК(- действительная и мнимая части показателя преломления почвы при влажности почвы, равной Wt', пю км - действительная и мнимая части показателя преломления свободной воды. В основу метода положена установленная нами зависимость между комплексным показателем преломления (КПП) почвы при влажности равной максимальному содержанию связанной воды (Wt) от величины этой влажности. Для иллюстрации частотной зависимости ниже приведены найденные уравнения регрессии для частоты 6,9 ГГц:

и, = 4,93 Х Wt+1,67,а к, = 0,89 Х Wt+ 0,1. (5)

В замерзшем состоянии комплексный показатель преломления почвы будет определяться следующим выражением

n2=nx+{nc-\)-Wc,K2=Kt+Kc-Pfcа (6)

пс, кс - действительная и мнимая части показателя преломления льда, Wc= WJO,917 объемная доля льда в почве.

Радиояркостная температура собственного излучения однородно увлажненной почвы, имеющей термодинамическую температуру Т, выражается соотношением (1). Значения коэффициента излучения при зондировании в надир (при гладкой поверхности) связаны с комплексным показателем преломления следующим образом:

1

2

п

О)

п + \

x = i-

Как видно из (4) при влажностях почвы больших Wt, показатель преломления почвы зависит как от Wtтак и от Wu. В этом случае для восстановления максимального содержания связанной воды необходимо определить содержание свободной воды Wuили льда Wc. Содержание свободной воды перед промерзанием или льда в замерзшей почве можно определить через разность значений коэффициентов излучения Ах талой и мерзлой почвы. Величина Ах определяется выражением:


Ах = Х2 - Xi =


п2-\

2

щ-\

п2+\

пх+\

(8)


16


где Хъ Xi, ~ коэффициенты излучения замерзшей и талой почв соответственно, п2, rij-показатели преломления мерзлой и талой почв соответственно.

Поскольку ntи к{ входят в выражения как для %2, так и Для Хь поэтому Ах ишь слабо зависит от этих величин, а, следовательно, и от Wt, что позволяет осуществить параметризацию максимального содержания связанной воды Wt. Уравнение регрессии, полученное для определения объемной доли свободной воды для значения Wt= 0,15 на частоте 6,9 ГГц при угле зондирования 10 имеет вид.

Жс=1,97-Ах2+0,81-Ах + 5-10"4аа (9)

Подобные уравнения могут быть получены для других значений Whугла зондирования и частоты. На рисунке 7 приведены графики, построенные для значений W(=0,05, Wt=0,l5 и Wt=0,25. Таким образом, по экспериментально измеренной величине Ах можно найти значение Wc, приняв качестве нулевого приближения для Wtзначение,

WCVCо,з-

0,2-

примерно равное среднему для всех типов почв (например, Wt=0,\5).

------- 1 W(=0,05

------ 2 ИЛ=0,15

------ 3 И/,= 0,25

0,1-

Рисунок 7 - Зависимость свободной воды в почве от величин Wt, Д% на частоте 6,9 ГГц. Угол зондирования 10

щ

I

0,2

-v-^s" L----------- И4=о J

--.аа ^v >ч^ --W4=0,10

**Х.аа ^^\а жжжжWc=0,20

** .

v

*аа "Чаа ^SJ

0,1

Х_аа ^Х^-

Хsа ^Ч.

^а ---------------------------------------- '

"U.а ^ ^\

ч-а ^

*Ха .

п

N.\

После этого по измеренному значению коэффициента излучения промерзшей почвы и по первому приближению для Wcс помощь графика (рисунок 8) можно найти первое приближение для максимального содержания связанной воды Wt, а затем уточнить количество льда Wc. Этот итерационный процесс можно продолжить до получения значений Wtи Wc(или WJс заданной точностью. После этого можно определитьа значенияа полнойа влажности

w=wt+wu.

X

0,75

0,80

0,85

0,90

Результаты эксперимента по проверке данного метода приведены в таблице 1. В строках 1, 2 приведены данные о почвах с разным содержанием гумуса (участки A.I, А.2), имеющих почти

Рисунок 8 - Связь максимального содержания связанной воды Wtс коэффициентом излучения мерзлойаа одинаковую полную влажность, но почвыа на частоте 6,9 ГГц при различном содержанииаа разныеаа ДОЛЯаа ВОДЫаа находящейсяаа в

льда Wc. Угол зондирования 10 Д

связаннома состоянии.а Поэтому,

измеренные значения коэффициентов излучения Х2, Xiсущественно различаются, одна-


17

ко восстановленные из дистанционных измерений значения Wtи полной влажности Wмало отличаются от значений, измеренных лабораторным способом (см. табл.2). В строках 3-5 приведены результаты исследований одной и той же почвы, но в разных циклах промерзания-оттаивания. В процессе каждого цикла часть влаги из нижней части зондируемого слоя перемещалась вверх к холодному фронту и оказывала большее влияние на коэффициент излучения. Поэтому в каждом следующем эксперименте коэффициенты/2, Xiуменьшаются, однако измеренные значения Wtи Неблизки к значениям, полученным в лаборатории.

Почвенная константа Wtимеет статистическую связь с некоторыми другими почвенными константами. Величина влажности устойчивого завядания (ВУЗ) определялась из соотношения W= 0,93Wtприведенного в работе [4]. В работе [2] показано, что величина Wtстатистически связана также с максимальной гигроскопичностью соотношением : Wt= А(МГ) , гду и 8Ч коэффициенты, зависящие от почвенно-климатической зоны.

Таблица 1. - Результаты дистанционных измерений полной влажности почвы

Ё си

% К

^ _ сиа ей

с н

О

и

ей

И

н о

ей

Е

Я"

Ь

ев

Н О

н о

ев

о

к X я

Оа Xсоа ев

ч л о

> 

Коэфф.

излуч. неза-

мерзшей

почвы xi

Коэфф. излуч. промерзшей почвы хг

$ S

Wt, см3/см3 лабораторные измерения

W, см3/см3 Дистанционные измерения

1

1

6,0

10

0,714

0,813

0,099

0,265

0,27

2

2

6,0

10

0,690

0,842

0,151

0,27

0,28

3

3

6,9

45

0,502

0,621

0,119

0,29

0,34

4

3

6,9

45

0,476

0,605

0,129

0,29

0,34

5

3

6,9

45

0,443

0,609

0,166

0,34

0,32

Таблица 2. - Результаты оценки максимального содержания связанной воды и гидрологических констант по данным дистанционных измерений (1 - дистанционные данные, 2 - данные лабораторных измерений)

№ эксперимента

№ участка

Wt, см3/см3

ВУЗ, см3/см3

МГ, см3/см3

1

2

1

2

1

2

1

1

0,16

0,17

0,15

0,14

0,093

0,088

2

2

0,11

0,10

0,10

0,08

0,072

0,065

3

3

0,15

0,13

0,14

-

0,089

0,065

4

3

0,14

0,13

-

-

-

-

5

3

0,15

0,13

-

-

-

-

18

Используя приведенные выше связи между максимальным количеством свободной воды и некоторыми гидрологическими константами, по данным дистанционных измерений были найдены значения влажности устойчивого завядания и максимальной гигроскопичности. Эти значения в сопоставлении с данными прямых измерений приведены в таблице 2. Значения влажностей представлены в объемных долях, пересчитанных из массовых долей с учетом плотности сухого сложения почвы, равной 1,2 г/см .

Таким образом, экспериментальная проверка изложенной методики показала, что имеется возможность с приемлемой точностью определять раздельно количество связанной и свободной воды в почве. Это позволит повысить точность определения влажности микроволновым радиометрическим методом, а так же произвести достаточно точную оценку максимальной гигроскопичности и влажности устойчивого завядания дистанционным радиометрическим методом. В отличие от существующих способов определения данных констант предложенный метод отличается высокой производительностью и возможностью охвата измерениями больших площадей. При этом не происходит нарушения естественного сложения почвы, неизбежного при традиционных методах.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе, и сделаны выводы:

  1. Установлено, что в период интенсивного испарения амплитуды суточных колебаний радиояркостной температуры гумусной почвы больше амплитуд у малогумусной почвы в среднем в 1,2 раза на горизонтальной поляризации и в 1,3 на вертикальной.
  2. Установлено, что между экстремальными точками суточного хода термодинамической температуры и коэффициента излучения имеется временной сдвиг, зависящий от влажности почвы и содержания органики в ней.
  3. Установлено, что временные и частотные зависимости радиояркостной температуры почвы загрязненной нефтепродуктами зависят от степени загрязнения и деструкции углеводородов.
  4. Впервые разработан метод раздельного определения связанной и свободной воды в почвах на основе данных микроволновой радиометрии, позволяющий повысить точность определения влажности дистанционным радиометрическим методом.
  5. Разработан дистанционный радиометрический метод определения влажности устойчивого завядания и максимальной гигроскопичности почв.
  6. Показана возможность восстановления толщины промерзшего слоя и скорости промерзания по данным непрерывных многочастотных радиометрических измерений при наличии априорной информации о влажности.

19

Основные результаты исследования отображены в следующих публикациях: Статьи в журналах перечня ВАК

  1. П.П. Бобров, СВ. Кривалъцевич, В.Л. Миронов, А.С. Ященко Влияние толщины промерзшего почвенного слоя на собственное радиотепловое излучение в диапазоне длин волн 3,6-11см//Известия вузов. Физика", 2006, № 9. С. 5-10. . 0,4 п.л., (авторских 25%).
  2. П.П. Бобров, В.Л. Миронов, А.С. Ященко Дистанционный радиометрический метод определения некоторых почвенных гидрофизических констант//Известия вузов. Физика, 2008, № 9/2. С. 105-110. 0,4 п.л., (авторских 33%).
  3. П.П.Бобров, СВ.Кривалъцевич, А.СЯщенко Радиояркостные характеристики почв, загрязненных нефтепродуктами //Исследования Земли из космоса, 2008, № 5. С. 3-8. 0,4 п.л., (авторских 33%)).
  4. Bobrov P. P., Krivaltsevich S. V., Mironov V. L., and Jaschenko A. S. The Effect of Frozen Soil Layer Thickness On Thermal Emission at the wavelength 3.6-11 cm//Russian Physics Journal. - Vol. 49. -No. 9. - 2006. -P. 907-912. 0,4 п.л., (авторских 25%).

Патенты

  1. П.П. Бобров, В.Л. Миронов, А.С. Ященко Пат. 2331062 С1 Российская Федерация, МПК GO IN 22/04/ заявитель и патентообладатель Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения РАН . 0,7 п.л., (авторских 33%).
  2. Пат. 2348924 С2 Российская Федерация, МПК GO IN 22/04 Дистанционный радиофизический метод определения влажности почв/ Бобров П.П., Миронов В.Л., Ященко А.С, заявительа иа патентообладательа Омскийа государственныйа педагогическийа университет.аа -а № 2006136482/09; заявл. 16.10.06; опубл. 10.03.09, Бюл. № 7. - 0,7 п.л. (авторских 33%). Препринты
  3. П.П. Бобров, В.Л. Миронов, О.А. Ивченко, В.Н. Красноухова, А.С. Ященко Диэлектрическая спектроскопическая модель влажной почвы, использующая физические и гидрологические характеристики почв/ Препринт Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН № 837 Ф, 2006. 16 с. 1 п.л., (авторских 20%).

Статьи в сборниках международных коференций

  1. Mironov V.L., Bobrov P.P., Ivchenko O.A., Krivaltsevitsh S.V., Jaschenko A.S. Dynamic Radio-brightness for Drying Soils as a Function of Humus Conten //Proc. of IGARSS'2005. Seoul, Korea, 2005. vol. II, pp. 1127-1130. 0,4 п.л., (авторских 20%).
  2. Mironov V.L., Bobrov P.P., Zhirov P.V., Krivaltsevitsh S.V., Jaschenko A.S., De Roo R.D. Ra-diobrightness Dynamics of Freezing/Thawing Processes for Different Soils //Proc. of IGARSS'2006. Denver, Colorado. 31 July - 04 August 2006. 4p. 0,4 п.л., (авторских 15%).
  3. Mironov V.L., P.P. Bobrov P.P and Yashchenko A.S.. Radiometric Measurements of Maximum Bound Water Fraction in Soil //Proc. of PIERS'2009, Beijing, China. 23 - 27 March 2009. 5p. 0,4 п.л., (авторских 33%).

Статьи в сборниках отечественных конференций

11.аа П.П.Бобров , В. Л. Миронов , А.СЯщенко, А.В. Богданов Суточная динамика коэффици

ента излучения и радиояр костной температуры на частотах 1,4 и 6,9 ГГц/ Современные про

блемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и тех

нологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов.

Сборник научных статей. Выпуск 5. Том П. - М.: ИКИ РАН, ООО Азбука-2000, 2008. - С.

285-292. 0,4 п.л., (авторских 25%).

Тезисы докладов на конференциях

12. П.П. Бобров, В.Л. Миронов, СВ. Кривалъцевич, А.С. Ященко Изменение радиояркостной

температуры при промерзании или оттаивании поверхностного слоя почв Третья всероссий

ская открытая конференция Современные проблемы дистанционного зондирования Земли


20

из космоса Москва, ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г. Сборник тезисов. С. 199. 0,1 п.л., (авторских 25%).

  1. П.П. Бобров, СВ. Кривалъцевич, А.С. Ященко Моделирование динамики радиояркостной температуры промерзающих и оттаивающих почв /Четвертая всероссийская открытая конференция Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Тезисы докладов. Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г. С.204. 0,1 п.л., (авторских 33%).
  2. .П.Бобров, В.ЛМиронов, И.В. Савин КВ., А.В. Репин, А.С. Ященко Суточная динамика радиояркостной температуры лесной почвы, покрытой хвойным опадом, на частотах 1,4 и 6,9 ГТц_ /Шестая всероссийская открытая конференция Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Тезисы докладов. Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. С. 203. 0,1 п.л., (авторских 20%).

итература

  1. Schwank М., Stahli М., Wydler Н., Leuenberger J., Matzler С, Fluhler Н. Microwave L-Band Emission of Freezing Soil // ШЕЕ Transactions on Geoscience and Remote Sensing.. - 2004. -V.42. -N.6. -P.1252-1260.
  2. Бобров П.П., Ивченко О.А., Красноухова В.Миронов В.Л . //Исследование Земли из космоса.-2008. №1. - С. 15-23.
  3. БреховскихЛ.М. Волны в слоистых средах. -М.: Наука, 1973. 343 С.
  4. Миронов В.Л., Комаров С.А., Евтюшкин А.В., Рычкова Н.В. Комплексный эксперимент по измерению влажности почв на территории Алтайского полигона //Исследование Земли из космоса. - 1998. - №2. - С. 81-90.
  5. Цейтлин ИМ. Антенная техника и радиоастрономия. - М.:Сов. Радио, 1976. - 415 С.

Ященко Александр Сергеевич Суточная динамика радиояркостной температуры почв в процессах испарения и инфильтрации, замерзания и оттаивания

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Подписано в печатьаа .2009. Формат бумаги 60x84 1/16.

Печ. л.аа . Уч.-изд. л.а . Тираж 120 экз. Заказ____________ .

     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]