Влияние содержания органического вещества на спектры диэлектрической проницаемости влажных почв при положительных температурах

В рамках развития методов аэрокосмического зондирования Земли возникает потребность в разработке и усовершенствования моделей почв и грунтов для использования их в задачах определения влажности и температуры почвенного покрова. При построении таких моделей используются закономерности, основанные на связи влажности и температуры почвы с ее диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость влажных почв является комплексной величиной, обладающая частотной и температурной зависимостью, обусловленной диэлектрическими свойствами почвенной воды. В то же время дистанционное зондирование Земли осуществляется в широком диапазоне частот, охватывающем как мегагерцовую, так и гигагерцовую области частот. В связи с этим возникает задача выбора оптимальной рабочей частоты электромагнитной волны, при которой влажность почвы может быть измерена с наименьшей погрешностью. Ранее, в работе [1], в результате анализа спектров действительной части комплексной диэлектрической проницаемости влажных почв, измеренных при положительных температурах, на частотах около 100 МГц было обнаружено пересечение спектров диэлектрической проницаемости, полученных для одной влажности образца почвы, но разных температур. Авторы [1] объяснили это пересечение спектров влиянием релаксаций Максвелла-Вагнера, которое приводит к увеличению значений диэлектрической проницаемости почвы с уменьшением частоты. Пересечение спектров диэлектрической проницаемости свидетельствует об отсутствии температурной зависимости диэлектрической проницаемости на частоте точки пересечения. В работе [2] были изучены условия пересечения спектров ДП. Так было показано, что в образцах, содержащих только связанную воду, пересечений не возникает. А когда в почве содержится как связанная, так и несвязанная вода присутствуют две области пересечения спектров ДП влажной почвы: в диапазоне частот от 0,1 до 1,2 ГГц и от 2 до 4,2 ГГц. В работе [3], при изучении диапазонов частот пересечения спектров диэлектрической проницаемости на примере пяти минеральных почв с различным гранулометрическим составом, была предложена эмпирическая модель для расчета средних частот пересечения (для первой и второй области пересечения), параметрами которой являются влажность и содержание глинистой фракции.
Особый интерес представляют почвы с высоким содержанием органического вещества поскольку данные почвы являются типичными для тундровых и лесных зон. В связи с этим цель данного исследования состояла в изучении влияния органического вещества на пересечение спектров диэлектрической проницаемости органических почв, вызванное эффектом Максвелла-Вагнера. Для этого были проведены измерения комплексной диэлектрической проницаемости четырех органических почв с содержанием органического вещества от 11,1 до 54,5 %. Диэлектрические измерения проводились в температурном диапазоне от 0 до 25 °С и частотном диапазоне от 15 МГц до 15 ГГц для образцов почв с различной объемной влажностью, от сухого состояния до наименьшей влагоемкости (максимальное содержание воды, удерживаемое в почве капиллярными силами).
В результате проведения исследования для всех исследуемых почв была определена минимальная объемная влажность, при которой появляется пересечение спектров диэлектрической проницаемости почвы, полученных для одного значения влажности, но разных температур. Для влажности, равной минимальной объемной влажности появления пересечений спектров диэлектрической проницаемости, наблюдается только одна область пересечения, а при больших влажностях – две области пересечения спектров диэлектрической проницаемости. Для оценки средних значений частот этих областей пересечений была предложена эмпирическая модель, параметрами которой являются влажность и содержание органического вещества. Также была предложена эмпирическая формула для описания минимальной объемной влажности, при которой происходит пересечение спектров диэлектрической проницаемости влажной почвы, в зависимости от содержания органического вещества. Полученные формулы позволяют также рассчитать ширину частотного диапазона, в котором температурная зависимость диэлектрической проницаемости почвы будет минимальной. Такая информация позволит выбрать частоту электромагнитного поля для электрофизических методов измерения влажности почв, при которой влиянием температуры можно пренебречь.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 22-27-20112