Диэлектрические характеристики карликовых пород древесной тундровой растительности в микроволновом диапазоне

Растительный покров тундры является важным фактором, регулирующим скорость деградации вечной мерзлоты в тундре и лесотундре (Guo, 2018). Наиболее сильные изменения арктических экосистем связаны с расширением площадей тундровых кустарников, карликовых пород деревьев, изменением количества и объема оттаивающих озер (Stow, 2004). Экранирующее влияние растительного покрова на микроволновое излучение подстилающей поверхности зависит от изреженности, биометрических параметров и диэлектрических характеристик растительности, которые, в свою очередь, зависят от объемной доли и фазового состава воды, содержащейся в растениях (Chukhlantsev, 1992; Pampaloni, 2004).
Применение микроволновых методов для дистанционного зондирования тундры ограничивается недостаточной изученностью диэлектрических характеристик разных типов тундровой растительности. Результаты измерений диэлектрических характеристик древесины, осуществленных разными авторами с 1950 по 1993 годы, обобщены в (Torgovnikov, 1993). Приведенные в этой работе данные показывают, что диэлектрические свойства древесины зависят от породы дерева, температуры, плотности и влажности древесины. В диапазоне частот 1-10 ГГц измерены диэлектрические характеристики ветвей, частей стволов и игл пихты и ели, отобранных с разных высот дерева. Выявлена анизотропия диэлектрических свойств древесины в продольном и поперечном направлениях (Franchois, 1998). Выявлены общие закономерности и различия в поведении диэлектрических характеристик древесины разных пород (береза, тополь, ель, лиственница). Установлено существование в древесине трех фаз воды с разными диэлектрическими свойствами. Для описания диэлектрических характеристик древесины применена рефракционная модель (Romanov, 2006).
При интерпретации данных дистанционного зондирования тундры актуальным является вопрос сезонных изменений диэлектрических и радиоизлучательных характеристик древесной растительности. В данной работе приведены результаты исследований диэлектрических характеристик карликовой березы и ивы на частоте 1.41 ГГц. Образцы древесной тундровой растительности отбирались в Ямало-Ненецком автономном округе в разные сезоны года. Диэлектрические характеристики тундровой растительности измерялись методом мостовых схем с использованием промышленного измерителя разности фаз ФК2-18.
Из анализа экспериментальных данных следует, что зависимости действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости от влагосодержания древесины для карликовой березы и ивы качественно похожи, но при этом имеют существенные количественные различия. Диэлектрические характеристики растительных образцов, относящихся к одной и той же породе дерева, но отобранных в разное время года (апрель, август, ноябрь), также заметно различаются.
Древесина является сложной системой, состоящей из древесинного вещества, связанной воды в стенках и мембранных комплексах растительной клетки, клеточного сока с разной концентрацией растворенных минеральных и органических веществ, находящегося в межклеточном пространстве и внутри клетки (в цитоплазме, вакуолях). В растительной клетке и в межклеточном пространстве при температуре ниже температуры замерзания воды могут образовываться кристаллы льда, количество которого зависит от температуры и влажности. Соответственно, наблюдаемые различия диэлектрических характеристик разных пород деревьев могут быть вызваны разным фазовым составом воды в растительных клетках, разной концентрацией и типом растворенных минеральных и органических веществ в клеточном соке. Возможными причинами сезонных вариаций диэлектрических и радиоизлучательных характеристик древесины одной и той же породы деревьев являются изменение влажности растительности, образование льда в растительных клетках, резкое отличие диэлектрических характеристик сухой древесины, клеточного сока и льда.
Для более детального изучения механизмов изменения диэлектрических характеристик древесины и происходящих в ней физических процессов исследовались зависимости тангенса диэлектрических потерь от температуры. Установлены интервалы температур с разным поведением диэлектрических свойств древесины. Особенности диэлектрических свойств, связанные с различным поведением внутри- и внеклеточной влаги в древесине при вариациях температуры и влажности, обусловливают сезонные изменения радиоизлучательных характеристик древесной растительности.
Исследования выполнялись в рамках проекта РФФИ № 18-05-00753a "Поиск, экспериментальное и теоретическое обоснование дистанционных радиофизических маркеров гидролого-климатических изменений в Северной Евразии на основе ежедневных данных спутникового микроволнового зондирования для прогнозирования опасных природных явлений".