В.Л. Миронов – д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН, гл. науч. сотрудник,  лаборатория радиофизики дистанционного зондирования, 

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН (г. Красноярск)

E-mail: rsdvm@ksc.krasn.ru

Ю.И. Лукин – мл. науч. сотрудник,  лаборатория радиофизики дистанционного зондирования, 

Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН (г. Красноярск) E-mail: rsdlu@ksc.krasn.ru

Постановка проблемы. В задачах радиофизического дистанционного зондирования почв, связанных с определением таких параметров, как температура и влажность почв, необходимым является использование модели комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почв, связывающей почвенные параметры с величиной КДП. При этом особый интерес представляют почвы с высоким содержанием глины.

Цель. Применить методику построения многорелаксационной рефракционной модели диэлектрической смеси (МРМДС), предложенной в [2], к бентонитовой глине.

Результаты. Проведены измерения КДП образцов бентонитовой глины в диапазоне частот электромагнитного поля от 15 МГц до 15 ГГц, диапазоне влажностей от сухого состояния до 1 г/г и в диапазоне температур от 25 до −30°C в процессе замораживания. На основании измеренных данных и МРМДС, предложенной в [1, 2], разработана модель КДП бентонита, описывающая зависимость мнимой и вещественной части КДП от частоты, влажности и температуры. Предложенная модель учитывает присутствие трех типов воды в бентоните, отличающихся по своим диэлектрическим свойствам: прочносвязанную воду, рыхлосвязанную воду, несвязанную воду (в талом бентоните) и лед (в мерзлом бентоните). Найдены параметры, характеризующие спектр КДП каждого типа воды. Для учета токов проводимости в модели КДП разработана эмпирическая модель для описания ионной проводимости различных типов воды в талом и мерзлом бентоните.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при построении КДП почв и грунтов, содержащих связанную воду, что, в свою очередь, может найти применение в совершенствовании методов дистанционного зондирования земной поверхности

1. Миронов В.Л., Бобров П.П., Фомин С.В., Каравайский А.Ю. Обобщенная рефракционная диэлектрическая модель влажных почв, учитывающая ионную релаксацию почвенной воды // Известия ВУЗов. Сер. «Физика». 2013. Т. 56. № 3. С. 75−79.
2. Mironov V., Savin I. A temperature-dependent multi-relaxation spectroscopic dielectric model for thawed and frozen organic soil at 0.05−15 GHz // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. 2015. V. 83. P. 57−64.
3. Wu A., Sun Y., Liu X. Granular dynamic theory and its applications. Metallurgical Industry Press. 2008. 364 p.
4. Kozlowski T. A comprehensive method of determining the soil unfrozen water curves: 1. Application of the term of convolution // Cold Regions Science and Technology. 2003. V. 36. № 1−3. P. 71−79.
5. Kozlowski T. A comprehensive method of determining the soil unfrozen water curves: 2. Stages of the phase change process in frozen soil–water system // Cold Regions Science and Technology. 2003. V. 36. № 1−3. P. 81−92.
6. Kozlowski T., Nartowska E. Unfrozen water content in representative bentonites of different origin subjected to cyclic freezing and thawing // Vadose Zone Journal. 2013. V. 12. № 1.
7. Mironov V.L., Karavayskiy A.Y., Lukin Y.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. V. 153. P. 172−180.
8. Mironov V.L., Dobson M.C., Kaupp V.H., Komarov S.A., Kleshchenko V.N. Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2004. V. 42. № 4. P. 773−785.
9. Lukin Y.I., Komarov S.A. Dielectric spectroscopy of bound water in the bentonitic clay // 2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE. 2007. P. 735−737.
10. Миронов В.Л., Лукин Ю.И. Физическая модель диэлектрических спектров талой и мерзлой бентонитовой глины в диапазоне частот от 1 до 15 ГГц // Известия ВУЗов. Сер. «Физика». 2010. Т. 53. № 9. С. 71−76.
11. Миронов В.Л., Комаров С.А., Лукин Ю.И., Шатов Д.С. Методика измерения частотного спектра комплексной диэлектрической проницаемости почв // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. № 12. С. 1465−1470.
12. Mironov V.L., Molostov I.P., Lukin Y.I., Karavaisky A.Y. Method of retrieving permittivity from S 12 element of the waveguide scattering matrix // 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). IEEE. 2013. P. 1−3.
13. Mironov V.L., Fomin S.V. Temperature and mineralogy dependable model for microwave dielectric spectra of moist soils // Piers online. 2009. V. 5. № 5. P. 411−415.
14. Glasstone S., Laidler K.J., Eyring H. The theory of rate processes; the kinetics of chemical reactions, viscosity, diffusion and electrochemical phenomena. McGraw-Hill Book Company. 1941. № 541.39.
15. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов Пущино // Лист МР. 09.04. 01.543 М. 126 ПЗ. 1998. 515 с.
16. Stähli M., Jansson P.E., Lundin L.C. Soil moisture redistribution and infiltration in frozen sandy soils // Water Resources Research. 1999. V. 35. № 1. P. 95−103.