Наиболее значимые результаты исследований лаборатории радиофизики дистанционного зондирования
Высокоточные диэлектрические модели минеральных и
органических почв для частоты 435 МГц
Авторы: К.В. Музалевский, И.В. Савин, С.В. Фомин
Современные спутниковые микроволновые радары P-диапазона частот предоставляют технологическую возможность для развития новых информационных технологий дистанционного зондирования профилей влажности в деятельном слое почвогрунтов, включая почвы арктической тундры. Одним из важнейшим элементом алгоритмов и методов восстановления влажности почв, основанных на физических законах, являются физические модели диэлектрической проницаемости почвогрунтов. Существующие диэлектрические модели обладают повышенной погрешностью предсказания показателя преломления и нормированного коэффициента поглощения талых почвогрунтов в P-диапазоне частот.
Созданные модели диэлектрической проницаемости минеральных и органических талых почв (содержание глинистой фракции и органического вещества, в которых варьировалось от 9,1% до 41,3% и от 35% до 80%, соответственно) впервые позволяют прогнозировать значения показателя преломления и нормированного коэффициента затухания с высокой точностью (среднеквадратическое отклонение измеренных от модельных значений показателя преломления и нормированного коэффициента поглощения не хуже, чем 0,09-0,3 и 0,05-0,12, соответственно) на частоте 435 МГц в диапазоне влажностей от воздушно сухой до наименьшей полевой влагоемкости почв при температуре 20-23°С. Созданные диэлектрические модели могут быть рекомендованы к практическому использованию в алгоритмах дистанционного зондирования влажности почвогрунтов с использованием данных радиометрического и радарного зондирования в P-диапазоне частот (435МГц).
Измеренные и модельные значения показателя преломления (RI) и нормированного коэффициента поглощения (NAC) для случая органических почв. (На графиках коэффициенты детерминации и среднеквадратические отклонение обозначены, соответственно R2 и RMSE).
Savin I. V., Muzalevskiy K.V.
Dielectric Model for Thawed Organic Soils at Frequency of 435 MHz//
IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.‑P. 1-4. (Early Access).
doi: 10.1109/LGRS.2020.2975027. (Impact Factor WoS – 3.833, Q1)
Fomin S. V., Muzalevskiy K.V.
Dielectric Model for Thawed Mineral Soils at a Frequency of 435 MHz,"
in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.‑P. 1-4. (Early Access).
doi: 10.1109/LGRS.2020.2972559.
(Impact Factor WoS – 3.833, Q1)
Спектроскопическая многорелаксационная диэлектрическая модель талых и мерзлых арктических почв, учитывающая зависимости от температуры и
содержания органического вещества
Авторы: Миронов В.Л., Савин И.В
Впервые создана обобщенная температурно-зависимая спектроскопическая диэлектрическая модель влажных арктических почв, содержание органического вещества в которых варьируется от 30 до 90%. Созданная модель позволяет прогнозировать значения комплексной диэлектрической проницаемости влажных арктических тундровых почв в зависимости от температуры (от -30 до +25 ºC), влажности (0,009 до 1,001 г/г), частоты электромагнитного поля (0,05 до 15 ГГц), плотности сухого сложения. Данная модель может быть рекомендована к практическому использованию в алгоритмах дистанционного зондирования влажности и температуры почвенного покрова с использованием данных космического радиометрического и радарного зондирования. Она может применяться так же для интерпретации результатов полевых измерений активного слоя вечной мерзлоты, включая исследования процессов замерзания/оттаивания с помощью импульсных подповерхностных радаров и рефлектометров.
|
Рис. 1. Спектры диэлектрической проницаемости для различных |
Рис. 2. Зависимость измеренных от рассчитанных значений диэлектрической проницаемости почвенных образцов. СКО-среднеквадратическое отклонение, R2-квадрат коэффициента корреляции |
Миронов В.Л., Савин И.В.
«Спектроскопическая многорелаксационная диэлектрическая модель талых и мерзлых арктических почв, учитывающая зависимости от температуры и содержания органического вещества» //
Исследование Земли из космоса, №1, стр. 54-65, 2019. (переводная версия статьи выйдет в журнале Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. – 2020).
Скрытая теплота плавления льда при переходе в незамерзшую
связанную воду в Na-бентонитовой глине
Авторы: В.Л. Миронов, А.Ю. Каравайский, Ю.И. Лукин, Е.И. Погорельцев
Исследованы фазовые переходы воды в Na-бентонитовой глине диэлектрическим методом (ДМ) и методом дифференциальной сканирующей калориметрии (МДСК) в диапазоне температур от -40°С до +20°С. В ходе фазовых переходов воды в мерзлой Na-бентонитовой глине двумя методами идентифицированы следующие компоненты почвенной воды: лёд, незамерзающая и незамерзшая вода. Установлены закономерности процесса одновременного увеличения массы незамерзшей воды и уменьшение массы льда с увеличением температуры мерзлой глины. В этих процессах показано, что скрытая теплота плавления льда при переходе в незамерзшую связанную воду на 77Дж/г меньше (291±11Дж/г), чем при переходе льда в жидкую несвязанную воду (368±11Дж/г). Показано, что увеличение массы рыхлосвязанной незамерзшей воды за счет уменьшения массы льда, найденное из диэлектрических измерений, количественно согласуется с соответствующей зависимостью, полученной с использованием результатов калориметрических измерений. Установленная температурная зависимость изменения массы рыхлосвязанной воды может быть использована для определения характеристик фазовых переходов воды в почвогрунтах. Полученные результаты могут быть востребованы в приложениях дистанционного зондирования для оценок потока тепла и влаги, идентификации талого и мерзлого состояния почвогрунтов.
| Рис.1. Количество теплоты, поглощенное водой во время фазового перехода, от массы воды. |
Рис.2. Температурные зависимости максимального содержания прочносвязанной воды mg1, максимального содержания общего количества связанной воды mg2, полученные с помощью ДМ, и количества незамерзшей воды mu, полученное с помощью МДСК. |
Mironov V.L., Karavayskiy A.Yu, Lukin Yu.I., Pogoreltsev E.I.,
Joint studies of water phase transitions in Na-bentonite clay by calorimetric and dielectric methods,
Cold Regions Science and Technology, 2018, Vol. 153, p. 172-180.
Создан принципиально новый метод радиоволновой диэлектрической спектроскопии почвенной и грунтовой воды, взаимодействующей с поверхностью твердой фазы. Впервые не только идентифицированы отдельные фазы воды, содержащейся в почвах и грунтах, но и измерены относительное содержание и частотные спектры комплексной диэлектрической проницаемости каждой отдельной фазы. На основе предложенного метода разработаны физические модели для расчета комплексной диэлектрической проницаемости почв, грунтов и нефтенасыщенных горных пород как функции от содержания воды, частоты электромагнитного поля, температуры и органо-минерального состава. Созданные диэлектрические модели обладают наименьшей погрешностью и используются в алгоритмах Европейского космического аппарата SMOS для дистанционного зондирования влажности суши.
Изучены фазовые переходы воды в мерзлых почвах, грунтах и породах. Доказано, что только небольшая часть незамерзшей вода в мерзлой почве при понижении температуры переходит в состояние льда, как это было принято считать относительно всей незамерзшей воды. В действительности, незамерзшая вода испытывает существенные собственные фазовые превращения и межфазный перенос массы между составляющими ее отдельными фазами. На основе этих результатов созданы количественные модели фазовых переходов воды в почвах и грунтах и спектроскопические диэлектрические модели мерзлых почв и грунтов.
С использованием разработанных диэлектрических моделей талых и мерзлых почв, грунтов и горных пород созданы оригинальные методы и алгоритмы радиоволнового зондирования почвенного покрова, которые защищены свидетельствами интеллектуальной собственности.
Теоретически и экспериментально исследованы процессы распространения, излучения и рассеяния сверхширокополосных электромагнитных импульсов в нефтенасыщенных средах, обладающих частотной дисперсией диэлектрической проницаемости, с целью создания радиофизических основ волнового зондирования слоистой структуры нефтегазового коллектора. Предложен метод определения расстояния до водонефтяного контакта, который основан на измерении времени задержки и спектров отраженных зондирующих импульсов. Дана оценка предельной дальности зондирования водонефтяного контакта.