Модель комплексной диэлектрической проницаемости засоленной почвы

Общая площадь засоленных земель на Земном шаре превышает миллиард гектар. Актуальной задачей является разработка и совершенствование методов дистанционного микроволнового зондирования засоленных почв. Повышение точности и достоверности микроволновых методов достигается путем изучения закономерностей поведения диэлектрических свойств засоленных почв при вариациях их физических и химических параметров. В данной работе приведены результаты исследований влияния влажности и температуры на диэлектрические свойства засоленной почвы.
Образцы засоленной почвы отбирали с поверхности содового солончака с ровной гладкой поверхностью, лишенной всякой растительности. Диэлектрические характеристики почвы измеряли на частоте 1.41 ГГц. По гранулометрическому составу образцы относились к легким глинам. По данным химического анализа водной вытяжки установлено, что в почвенном растворе присутствуют в больших количествах анионы (карбонаты, бикарбонаты, сульфаты) и катионы натрия. При высыхании образца засоленной почвы весьма вероятно образование минеральных солей (карбонатов и сульфатов натрия), а также их кристаллогидратов. Таким образом, в образце могут присутствовать: 1) связанная вода, адсорбированная на поверхности почвенных частиц, 2) кристаллизационная вода, запасенная в кристаллогидратах минеральных солей (при недостатке воды для растворения всех солей в почве); 3) почвенный раствор с разной концентрацией. Соответственно с этим, засоленная почва может быть представлена, в зависимости от влажности, как дисперсная система, состоящая из почвенного воздуха, твердых почвенных частиц, различающихся по размерам, связанной воды, кристаллизационной воды и почвенного раствора.
Для описания диэлектрических характеристик засоленной почвы использовали показатели преломления (n) и поглощения (k), связанные с действительной и мнимой частями комплексной диэлектрической проницаемости. На зависимостях n(W) и k(W) экспериментально выявлены две точки излома, в которых происходит изменение поведения n(W) и k(W). Описание n(W) и k(W) прямыми линиями в каждом из интервалов указывает на то, что диэлектрические характеристики добавляемой в почву воды в исследуемом интервале W одинаковы и от W не зависят.
Для описания зависимостей n(W) и k(W) применена рефракционная модель. Исходя из этой модели, рассчитаны диэлектрические характеристики разных фаз воды, присутствующей в засоленной почве. Модельная зависимость коэффициента излучения солончака от объемной доли воды, учитывающая фазовый состав и диэлектрические характеристики почвенной влаги, хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Зависимости n и k от температуры (Т) аппроксимировали сигмоидальными функциями. Проведено моделирование n(Т) и k(Т) для двух разных значений влажности. На основе модели установлены зависимости коэффициента излучения (χ) засоленной почвы от температуры (Т), согласующиеся с экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов повышения точности дистанционного микроволнового зондирования засоленных почв, учете влияния солончаков на микроволновое излучение подстилающей поверхности, интерпретации спутниковых данных микроволнового зондирования.
Экспериментальные исследования выполнены в рамках государственного задания и гранта РФФИ № 18-05-00753.