- 2 -СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................... 5 стр
ГЛАВА 1 . ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.............. 14 стр
Введение ............................................... 14 стр
1.1 Свойства снега ..................................... 15 стр
1.1.1 Общая характеристика снежной среды ............... 15 стр
1.1.2 Особенности влажного снега ....................... 19 стр
1.2 Свойства почвогрунтов............................... 22 стр
1.2.1 Общая характеристика почвогрунтов................. 22 стр
1.2.2 Вода в почвогрунтах .............................. 27 стр
1.3 Диэлектрические свойства снега и почвогрунтов в СВЧ-диапазоне ...................................................... 36 стр
1.3.1 Диэлектрические свойства снега ................... 38 стр
1.3.2 Диэлектрические свойства почвогрунтов 42 стр
1.4 Моделирование диэлектрических свойств снега и почвогрунтов в СВЧ-диапазоне .......................... 49 стр
1.4.1 Диэлектрические модели снега ..................... 50 стр
1.4.2 Диэлектрические модели почвогрунтов............... 57 стр
1.5 Постановка задачи................................... 64 стр
Таблицы и рисунки....................................... 67 стр
Глава 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДУ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ДИСКРЕТНЫХ
РАССЕИВАТЕЛЕЙ..................................... 69 стр.
Введение ............................................... 69 стр.
2.1 Квазиволновая модель эффективной диэлектрической проницаемости среды, состоящей из дискретных сферических рассеивателей ......................... 71 стр.
2.2 Учет жидкой компоненты в квазиволновой модели
- 3 -
эффективной диэлектрической проницаемости среды, состоящей из дискретных сферических рассеивателей ...................................... 77 стр.
2.3 Усреднение по размерам рассеивателей 80 стр.
Заключение 82 стр.
Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ СУХОЙ НЕФТЕНОСНОЙ ПОРОДУ ПО СПЕКТРАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ.................................... 83 стр.
Введение 83 стр.
3.1 Анализ структурных характеристик и химического состава кернов нефтеносной порода ....................... 84 стр.
3.2 Экспериментальная установка и измерение коэффициента пропускания керна .............................. 86 стр.
3.3 Электродинамическая модель спектральной зависимости коэффициента пропускания керна..................... 87 стр.
3.4 Сравнение рассчитанных значений коэффициента пропускания керна с данными эксперимента ................ 90 стр.
3.5 Алгоритм восстановления структурных характеристик керна ............................................ 92 стр.
Заключение 97 стр.
Таблицы и рисунки 98 стр.
Глава 4. КВАЗИВОЛНОВАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВЛАЖНОГО СНЕГА............................ 108 стр.
Введение ............................................... 108 стр.
4.1 Модель эффективной диэлектрической проницаемости влажного снега ...................................... 109 стр.
4.2 Учет структурных характеристик влажного снега . 111 стр.
4.3 Применение модели ^эф влажного снега для определения его диэлектрической проницаемости.
- 4 -
Сравнение с экспериментальными данными.............. 115 стр.
Заключение ............................................. 118 стр.
Таблищ и рисунки 119 стр.
Глава 5. КВАЗИВ0ЛН0ВАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ .............................. 125 стр.
Введение ............................................... 125 стр.
5.1 Модель диэлектрической проницаемости связанной
воды в почвогрунтах ................................ 126 стр.
5.2 Модель £эф влажных почв при положительных температурах 130 стр.
5.3 Учет структурных характеристик влажных почв ... 135 стр.
5.4 Модель сэф мерзлой почвы 140 стр.
5.5 Применение моделей еоф влажных, влажных-соленых и мерзлых почвогрунтов для определения диэлектрических и излучательных характеристик почв.
Сравнение с экспериментальными данными.............. 143 стр.
5.5.1 Определение диэлектрической проницаемости влажных и мерзлых почв по предложенной модели сэфЛ Сравнение с экспериментальными данными .............................................. 143 стр.
5.5.2 Применение квазиволновой модели *эф почв для определения коэффициента излучения влажных, влажных-соленых и мерзлых почв.
Сравнение с экспериментальными данными .... 151 стр.
Заключение ............................................. 155 стр.
Таблицу и рисунки 156 стр.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. 172 стр.
ЛИТЕРАТУРА................................................... 175 стр.
ВВЕДЕНИЕ.
- 5 -
В последнее время актуальными становятся научные и практические задачи, связанные с исследованием и рациональным использованием природных ресурсов, контролем и охраной состояния природных сред, изучением процессов взаимного влияния атмосферы, океана и суши в региональном и глобальном масштабах [13. Большов место в этих исследованиях занимает изучение снега и почв, являющихся одними из наиболее распространенных естественных покровов нашей планеты. Информация о состоянии почв и снежного покрова используется для решения обширного круга задач, связанных с изучением глобальных природных процессов, метеорологией, гидрологией, строительством, сельским хозяйством, экологией и т.п. [1-63. Широкое применение в этих исследованиях находят радиофизические методы, позволяющие получать оперативную информацию о физических параметрах и состоянии снежного и почвенного покрова. Особенно большие возможности для получения такого рода информации открывают радиофизические исследования этих природных сред в СВЧ-диапазоне [см., например, 7-12].
Существующие радиофизические метода исследования снежного покрова и почв можно условно разделить на два типа. К первому типу относятся контактные метода, т.е. исследования при непосредственном контакте элементов аппаратуры со средой; это - различные зонда, датчики и т.п. [9-18]. Ко второму типу относятся дистанционные метода, т.е. методы, позволяющие исследовать природную среду на расстоянии, без непосредственного контакта с ней [см., например, 7,9,19,20]. В основе этих методов лежит анализ собственного или рассеянного средой электромагнитного излучения. Регистрируемое приемной аппаратурой электромагнитное излучение содэр-
- 6 -
жит в себе информацию о большинстве важных характеристик среда. Для снежного покрова и почв, такими характеристиками являются: влажность, плотность, структурный и минеральный состав, толщина слоя среда, наличие всевозможных примесей. Все они, в той или иной мере, оказывают влияние на процесс взаимодействия излучения со средой, поскольку определяют электродинамические свойства самой среды. Для того чтобы иметь возможность восстановления характеристик, исследуемых сред, по данным радиофизических измерений - необходимо располагать такими моделями взаимодействия электромагнитного излучения с этими средами, которые бы однозначно связывали их электродинамические и физические (в том числе и структурные) параметры.
Поскольку снежный покров и почвы представляют собой смеси веществ с различными диэлектрическими проницаемостями, то для описания взаимодействия электромагнитного излучения с такой средой, вводят понятие эффективной диэлектрической проницаемости среды - £оф, где ^эф= £'эф+ ^зф. Описание природной среды путем моделирования ее эффективным однородным диэлектриком обладает тем достоинством, что после определения *эф, рассмотрение взаимодействия электромагнитного излучения со средой существенно упрощается. В случае, когда размеры структурных неоднородностей среды (в случае снега и почв - частиц льда, грунта и водных включении) много меньше длины волны излучения, для определения эффективной диэлектрической проницаемости обычно используют модели £эф смесей. Однако, эти модели имеют существенный недостаток. Использование электростатического приближения для определения поляризуемости частиц среда! приводит к тому, что частотная зависимость эффективной диэлектрической проницаемости определяется только частотными зависимостями диэлектрических проницаемостей компонент
- 7 -
смеси. При этом не учитываются эффекты рассеяния на частицах среды, и, таким образом, реализуется низкочастотное решение, пределы применимости которого определяются диапазонами рабочих частот и размерами частиц среда. При описании диэлектрических свойств снежного покрова и почв, электростатические модели &эф смесей дают приемлемые результаты в диапазоне частот до 3 - 10 ГГц [21,22).
Интерпретация радиофизических данных, получаемых в высокочастотной части СВЧ-диапазона - сложна и неоднозначна, ввиду отсутствия эффективной теории взаимодействия электромагнитного СВЧ излучения с гетерогенными средами. В настоящее время эта проблема, как правило, решается с помощью создания различных калибровочных соотношений между радиофизическими или диэлектрическими характеристиками и физическими параметрами исследуемой среда, которые носят частный и региональный характер.
Таким образом, актуальным является создание электродинамической модели природной дисперсной среды, связывающей ее физические (в том числе и структурные) и диэлектрические характеристики; практически применимой в широком интервале СВЧ-диапазона для описания диэлектрических свойств сложных природных сред, таких как снежный покров и почвы; позволяющей разработать, на основе ее, методики восстановления физических параметров среды по данным радиофизических измерений.
Исходя из этого, можно определить основные задачи исследования:
- создание модели эффективной диэлектрической проницаемости гетерогенной (дисперсной) среда, применимой в широком интервале СВЧ-диапазона;
- разработка на ее основе моделей сэф снега и почв, учитывающих
- 8 -
различные физические (в том числе и структурные) параметры этих сред;
- определение степени влияния различных физических параметров снега и почв (плотность, влажность, концентрация и размеры частиц среда, неравномерность распределения водной компоненты среды и т.п.) на их диэлектрические свойства и радиофизические характеристики;
- решение на основе предложенных моделей ряда радиофизических задач: определение структурных параметров сухой песчаной среды по спектральной зависимости коэффициента пропускания; расчет диэлектрической проницаемости влажного снега, влажных и мерзлых почв в СВЧ-диапазоне; вычисление коэффициента излучения влажных и мерзлых почв.
В процессе исследования был получен ряд новых результатов,
главные из которых можно сформулировать следующим образом:
1. Предложена квазиволновая модель эффективной диэлектрической проницаемости многокомпонентной дисперсной среда. Предложенная модель учитывает наличие в среде жидкой компоненты, которая представлена одновременно: в виде пленок, обволакивающих частицу среда, и в виде капель, заполняющих пространственные пустоты среда. На ее основе разработаны модели
влажного снега, влажных, влажных-соленых и мерзлых почв.
2. Создана релаксационная модель диэлектрических свойств связанной вода в почвах. Модель позволяет объяснить наличие точки переходной влажности на графиках зависимости диэлектрической проницаемости почвы от влажности, а также описать диэлектрические свойства мерзлых почв и почв с малой влажностью.
3. Разработана методика определения структурных параметров
- 9 -
(среднего размера и дисперсии размеров частиц) сухой песчаной среды по спектральной зависимости коэффициента пропускания ее трехмерного образца.
Эти положения выносятся на защиту.
Практическая значимость работы состоит в слздующем:
- Предложена квазиволновая модель эффективной диэлектрической проницаемости многокомпонентной дисперсной среды, учитывающая наличие в среде жидкой фазы, которая представлена одновременно в виде пленок, обволакивающих частицы среды, и в виде капель, заполняющих пространственные пустоты среды. Созданная модель может быть использована для описания диэлектрических свойств сложных природных сред (снежный, почвенный, ледовый покров, морская пена, туман и т.д.) в СВЧ-диапазоне.
- На основе предложенной модели, впервые разработаны модели эффективной диэлектрической проницаемости влажного снега, сухих, влажных и мерзлых почвогрунтов в СВЧ-диапазоне, учитывающие реальные физико-механические характеристики (плотность, влажность, распределение влаги, средний размер частиц, дисперсия размеров частиц) этих сред. С помощью этих моделей удалось количественно описать диэлектрические свойства влажного снега, влажных и мерзлых почв при их различных физических и структурных параметрах в широком диапазоне частот.
- На основе созданных моделей эффективной диэлектрической проницаемости почвогрунтов удалось: количественно описать экспериментально полученную зависимость коэффициента пропускания слоя сухой дисперсной песчаной породы в диапазоне длин волн сравнимых с размерами частиц среды, количественно описать экспериментальные зависимости коэффициента излучения влажных и мерзлых почв от влажности на раных частотах, для различных
- 10 -
типов почв.
- Предложена методика восстановления структурных параметров (среднего размера и дисперсии размеров частиц) сухой спресованной дисперсной среды из спектральной зависимости коэффициента пропускания ее трехмерного образца. Предложены пути повышения точности определения этих параметров.
Работа состоит из Введения, пяти глав и Заключения.
В первой главе - "Обзор литературы и постановка задачи", -представлен обзор опубликованных работ, посвященных изучению физико-механических и диэлектрических характеристик снега и почвогрунтов.
В разделах 1.1, 1.2 приведено краткое описание основных физических и структурных характеристик снега и почвогрунтов, необходимых для изложения результатов исследования.
В разделе 1.3 подробно рассмотрены результаты экспериментальных исследований диэлектрических свойств снега и почвогрунтов в СВЧ-диапазоне. Особое внимание уделено анализу влияния физических и структурных параметров этих сред на их диэлектрические свойства.
Раздел 1.4 посвящен результатам моделирования диэлектрических свойств снега и почвогрунтов в СВЧ-диапазоне. Здесь проводится анализ существующих моделей, обсуждаются их достоинства и недостатки.
В разделе 1.5, на основе рассматриваемого материала, ставится задача исследования.
Вторая глава - "Электродинамическая модель случайно-неоднородной среды, состоящей из дискретных рассеивателей" - посвящена описанию квазиволновой модели эффективной диэлектрической проницаемости дисперсной среды.
- 11 -
Раздел 2.1 посвящен описанию модели эффективной диэлектрической проницаемости природной среда, состоящей из дискретных сферических включений различного типа. Модель представляет собой модификацию модели Полдера-Ван Сантена в которой произведен учет эффектов рассеяния на частицах среда путем введения динамической поляризуемости сферических частиц.
Раздел 2.2 посвящен учету и распределению жидкой компоненты в предлагаемой модели.
В разделе 2.3 рассматривается учет, в модели ^эф, рапределе-ния по размерам частиц составляющих среду.
В третьей главе - "Определение микроструктурных параметров сухой нефтеносной порода по спектральной зависимости коэффициента пропускания" - рассматривается применение квазиволновой модели £эф сРеды» состоящей из дискретных сферических рассеивателей, для определения структурных параметров сухого нефтеносного песчаника. Здесь предлагается метод, позволяющий определять основные микроструктурные особенности дисперсной среда из спектральной зависимости коэффициента пропускания образца порода, основанный на эффекте рассеяния электромагнитных волн частицами среда, размеры которых сравнимы с длиной волны падающего излучения.
В четвертой главе - "Квазиволновая модель эффективной диэлектрической проницаемости влажного снега" - рассматривается применение квазиволновой модели эффективной диэлектрической проницаемости среда, состоящей из дискретных сферических рассеивателей, для описания диэлектрических свойств влажного снега в СВЧ диапазоне.
Раздел 4.1 посвящен описанию модели ^эф влажного снега.
Учету структурных характеристик влажного снега (распределение вода, концентрация частиц, размер и дисперсия размеров частиц
- 12 -
и т.п.), в модели £эф, посвящен второй раздел данной главы.
В разделе 4.3 проводится сопоставление рассчитанных по предложенной модели и экспериментальных данных диэлектрической проницаемости влажного снега.
Пятая глава - "Квазиволновая модель эффективной диэлектрической проницаемости почвогрунтов" - посвящена описанию диэлектрических свойств почвогрунтов в СВЧ-диапазоне, на основе предложенной модели £эф.
При модельных рассчетах эффективной диэлектрической проницаемости влажных почв необходимо учитывать диэлектрические свойства связанной воды, которые существенным образом отличаются от свойств свободной воды и зависят от многих факторов: пористости, структуры, общей влажности и температуры почв. В связи с этим, первый раздел данной главы посвящен описанию модели диэлектрической проницаемости связанной воды в почвах, зависящей от структуры, влажности и температуры почвы.
Во разделе 5.2 рассматривается квазиволновая модель ^эф влажных почв при положительных температурах.
Учету структурных характеристик почв, в предлагаемой модели еэф, посвящен раздел 5.3.
При отрицательных температурах свободная влага в почвах замерзает, в следствии чего резко изменяется диэлектрическая проницаемость почв. Однако, как показывают различные радиофизические эксперименты, связанная вода в почвах не замерзает до температур ~ - 50°С, и именно она и определяет диэлектрические свойства мерзлых почв. В разделе 5.4 рассматривается квазиволновая модель £эф меР3'лых шчв с Учетом незамерзшей связанной влаги.
В разделе 5.5 рассматривается применение предлагаемой модели £эф п°чвогрунтов для расчета диэлектрических и излучательных ха-
- 13 -
рактеристик разных почв и сравнение их с экспериментальными данными, взятыми из различных работ, а также обсуждаются полученные результаты.
В Заключении сформулированы основные результаты проделанной работы.
Основные результаты данной работы докладывались на семинарах в ПРФЛ МИГУ, ИКИ РАН, а также на Всесоюзной школе "Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды" - Барнаул,
1991, на Второй научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среда" - Муром,
1992, на XVII конференции по распространению радиоволн -Ульяновск, 1993, на Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Renote Sensing of the Environment - Рим, 1994, на URSI Commission-F Microwave Specialist Symposium on Microwave Remote Sensing of the Earth, Oceans, Ice and Atmosphere - Лоренц, США, 1994, на International Geoscience and Remote Sensing Symposium "Surface and Atmospheric Remote Sensing: Technologies, Data Analysis and Interpretation" (IGARSS’94) - Пасадена, США, 1994, на International Geoscience and Remote Sensing Symposium "Quantitative Remote Sensing for Science and Applications" (IGARSS'95) - Флоренция, 1995 и опубликованы в работах [23-39].
- 14 -
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ВВЕДЕНИЕ.
Снежный покров и почвогрунты являются наиболее распространенными и в тоже время наиболее сложными природными дисперсными средами. Каждая из этих сред отличается большим многообразием типов, различающихся по своим физико-химическим и структурным характеристикам. Диэлектрические свойства снега и почвогрунтов зависят от длины волны излучения и определяются химическим (минеральным) составом этих сред, а также их физическими и структурными параметрами. В связи с этим, при разработке электродинамических моделей снега и почв, необходимо выявить и, в дальнейшем, учесть те параметры этих сред, которые являются определяющими в их диэлектрических свойствах.
Исходя из этого, в данной главе представлен обзор опубликованных работ, посвященных изучению физико-механических и диэлектрических характеристик снега и почвогрунтов, а также существующих моделей, описывающих диэлектрические свойства этих природных сред.
В первом и втором разделе данной главы приведено краткое описание основных физических и структурных характеристик снега и почвогрунтов, а также дана их классификация.
Третий раздел посвящен подробному рассмотрению результатов экспериментальных исследований диэлектрических свойств снега и почвогрунтов в СВЧ-диапазоне. Особое внимание уделено анализу влияния физических и структурных параметров этих сред на их диэлектрические свойства.
Четвертый раздел данной главы посвящен результатам моделиро-
- 15 -
вания диэлектрических свойств снега и почвогрунтов в СВЧ-диапа-зоне. Здесь проводится анализ существующих моделей, обсуждаются их достоинства и недостатки.
В пятом разделе, на основе рассматриваемого материала, ставится задача исследования.
1.1 СВОЙСТВА СНЕГА.
1.1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СНЕЖНОЙ СРЕДУ.
Снежный покров формируется по мере выпадения на поверхность Земли твердых атмосферных осадков. Пространственное распределение снежного покрова неоднородно даже на относительно плоских поверхностях равнинных территорий в силу того, что снег переметается ветром, перехватывается кронами деревьев, накапливается в понижениях рельефа. В горах в распределении снежного покрова наблюдается значительно большая неоднородность, из-за того, что к числу факторов влияющих на формирование снежного покрова добавляется влияние экспозиции склонов, сползание и осыпание снега.
Снежный покров имеет слоистое строение, которое обусловлено как внешними причинами - прерывистостью снегонакопления, метеорологическими условиями, так и процессами внутри снежной толщи.
Свойства снега весьма различны, поскольку снег существует при температуре, близкой к точке таяния льда, что вызывает термодинамическую неустойчивость образующих его кристаллов льда. Начиная с момента выпадения снега, форма его частиц непрерывно претерпевает изменения. При этом сильно изменяется ледяной скелет - матрица снега, что приводит к изменению физикомеханичеких параметров снежного покрова.
- 16 -
Таким образом, вариации строения снежного покрова, вызванные различиями в процессе снегоотложения и последующей эволюции снежной толщи приводят к образованию крайне сложной и неоднородной среда.
Снег представляет собой пористую двухкомпонентную среду, одна из компонент которой - воздух - газообразна, а другая - вода - может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Твердая фаза вода! - лед - образует скелет среда. То обстоятельство, что лед при обычных погодных условиях находится вблизи температуры плавления, приводит к постоянному перераспределению вещества скелета, что составляет сущность процесса метаморфизма снега [40,41]. Механизм перераспределения вещества связан с диффузией водяного пара в поровом пространстве, объемной диффузией молекул в твердой фазе и миграцией молекул вода в поверхностном слое кристаллов [421.
Другая особенность снега - высокая пористость - также способствует миграции молекул вода и обуславливает возможность объемной деформации среда, ее уплотнение, которое может происходить в результате самых разнообразных процессов: частичного таяния скелета, деформации цепочек зерен и самих зерен, а также связей между ними под действием внешних сил и т.д. Различия формы и размеров ледяных зерен еще более усложняют этот процесс. Геометрические параметры зерен и связей между ними могут значительно варьировать в зависимости от условий накопления и метаморфизма снежного покрова [43,44].
Существенную роль в процессе эволюции снежного покрова играют таяние и режеляция [45,46]. Важное значение имеет перекристаллизация ледяных зерен, определяющая условия формирования гранных и скелетных форм кристаллов и скорости их роста, т.е.
- 17 -
развитие деструктивного, конструктивного или регрессивного типов метаморфизма. Процессы тепло- и массопереноса при метаморфизме снежного покрова, приводящем к перекристаллизации снежной толщи, определяются рядом параметров, величина которых до сих пор окончательно не выяснена. Это, прежде всего, коэффициент диффузии водяного пара и его концентрация в снегу, а также законы роста ледяных зерен и перекристаллизации снега. Процессы роста ледяных зерен в снежной толще и перекристаллизации ледяной матрицу снега остаются пока одними из наименее изученных. Распад первичных ледяных скелетных образований (снежинок) на ранней стадии метаморфизма, сравнительно быстрый рост гранных зерен в сухом зернистом снегу и возникновение скелетных кристаллов глубинной изморози служит косвенным указанием на изменение законов роста, что. может быть вызвано последовательными изменениями во времени, а также значительными локальными вариациями концентрации водяного пара в снежной толще.
В зависимости от стадии эволюции, разделяют следующие группы и виды снега [41,471:
I. Свежевыпавший - сохраняет полностью или в обломках первичную кристаллическую структуру, различают:
1) сухой (плотность - 0.01 - 0.2 г/см3):
а) пушистый (выпадает при температуре воздуха Т = 0°С) -звездочки, хлопья,
б) игольчатый (Т = -15°С) - иглы,
в) порошковидный (низкие Т) - пластинки, призмы, иглы,
г) мучнистый (Т = 0°С) - снежные и ледяные зерна,
д) снег-изморозь (образуется при оседании тумана на холодную снежную поверхность) - разветвленные кристалы спаенные между собой;
- Киев+380960830922