ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 1 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Влияние диэлектрических релаксаций почвенной воды на температурную зависимость диэлектрической проницаемости почвы

А.Ю. Каравайский1, Ю.И. Лукин1

1 Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук - обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.1.4 УДК 537.86 EDN HBMRHE

Аннотация

С помощью обобщенной рефракционной диэлектрической модели смеси изучено влияние спектров относительной диэлектрической проницаемости связанной и несвязанной воды в минеральной почве на характер температурной зависимости относительной диэлектрической проницаемости естественной минеральной почвы, с содержанием глинистой фракции 41,3 %, в диапазоне частот электромагнитного поля от 50 МГц до 15 ГГц. Изучены причины появления пересечений спектров относительной диэлектрической проницаемости минеральной почвы, полученных при различных температурах, но для образца одной влажности. Доказано, что появление такой точки пересечения в диапазоне частот до 1,5 ГГц связано с эффектом Максвелла-Вагнера в связанной воде. Изучены зависимости частоты точки пересечения спектров относительной диэлектрической проницаемости минеральной почвы от температуры и объемного содержания связанной и несвязанной воды.

  • диэлектрическая проницаемость
  • минеральная почва
  • влажность почв
  • связанная вода
  • эффект Максвелла-Вагнера
Abstract (in English)

Influence of relaxations in soil water on the temperature dependence of soil permittivity

The influence of the dielectric constant spectra of bound and unbound water in mineral soil on the temperature dependences of the dielectric constant of mineral soil in the electromagnetic field frequency range from 50 MHz to 15 GHz was studied. The reasons for the appearance of the crossover frequency of the dielectric constant of mineral soil, obtained at different temperatures, but for a sample of the same moisture, were studied. It was proved that the appearance of crossover points in the frequency range up to 1.5 GHz is related to the Maxwell-Wagner effect in bound water. The dependences of the value of the crossover frequency of the dielectric constant of mineral soil on temperature and the volume content of bound and unbound water were studied.

Для цитирования

Каравайский А.Ю., Лукин Ю.И. Влияние диэлектрических релаксаций почвенной воды на температурную зависимость диэлектрической проницаемости почвы // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.4

Литература

  1. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. 1980. V.16. №3. P.574-582. https://doi.org/10.1029/WR016i003p00574
  2. Huisman J.A., Hubbard S.S., Redman J.D., Annan A.P. Measuring Soil Water Content with Ground Penetrating Radar: A Review. Vadose Zone Journal. 2003. V.2. №4. P.476-491. https://doi.org/https://doi.org/10.2136/vzj2003.4760
  3. Kizito F., Campbell C.S., Campbell G.S., Cobos D.R., Teare B.L., Carter B., Hopmans J.W. Frequency, electrical conductivity and temperature analysis of a low-cost capacitance soil moisture sensor. Journal of Hydrology. 2008. V.352. №3. P.367-378. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.01.021
  4. Woszczyk A., Szerement J., Lewandowski A., Kafarski M., Szypłowska A., Wilczek A., Skierucha W. An open-ended probe with an antenna for the measurement of the water content in the soil.Computers and Electronics in Agriculture. 2019. V.167. P.105042. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.105042
  5. Szerement J., Woszczyk A., Szypłowska A., Kafarski M., Lewandowski A., Wilczek A., Skierucha W. Evaluation of a Multi-Rod Probe Performance for Accurate Measurements of Soil Water Content. 2020 Baltic URSI Symposium (URSI). 2020. P.158-160. https://doi.org/10.23919/URSI48707.2020.9254059
  6. Mironov V.L., Karavayskiy A.Y., Lukin Y.I., Molostov I.P. A dielectric model of thawed and frozen Arctic soils considering frequency, temperature, texture and dry density.International Journal of Remote Sensing. 2020. V.41. №10. P.3845-3865. https://doi.org/10.1080/01431161.2019.1708506
  7. Belyaeva T.A., Bobrov P.P., Kroshka E.S., Repin A. V.Complex dielectric permittivity of saline soils and rocks at frequencies from 10 kHz to 8 GHz. 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS). 2017. P.3046-3051. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262278
  8. Loewer M., Günther T., Igel J., Kruschwitz S., Martin T., Wagner, N. Ultra-broad-band electrical spectroscopy of soils and sediments - a combined permittivity and conductivity model. Geophysical Journal International. 2017. V.210. №3. P.1360-1373. https://doi.org/10.1093/gji/ggx242
  9. Kemna A., Binley A., Cassiani G., Niederleithinger E., Revil A., Slater L., Williams K.H., Orozco A.F., Haegel F.-H., Hördt A., Kruschwitz S., Leroux V., Titov K., Zimmermann E. An overview of the spectral induced polarization method for near-surface applications. Near Surface Geophysics. 2012. V.10. №6. P.453-468. https://doi.org/10.3997/1873-0604.2012027
  10. Wagner N., Scheuermann A. On the relationship between matric potential and dielectric properties of organic free soils: a sensitivity study. Canadian Geotechnical Journal. 2009. V.46. №10. P.1202-1215. https://doi.org/10.1139/T09-055
  11. Robinson D.A., Schaap M.G., Or D., Jones S.B. On the effective measurement frequency of time domain reflectometry in dispersive and nonconductive dielectric materials. Water Resources Research. 2005. V.41. №2. https://doi.org/10.1029/2004WR003816
  12. Дебай П. Полярные молекулы. Гнти. 1931. 247 c.
  13. Hoekstra P., Delaney A. Dielectric properties of soils at UHF and microwave frequencies. Journal of Geophysical Research. 1974. V.79. №11. P.1699-1708. https://doi.org/10.1029/JB079i011p01699
  14. Bobrov P.P., Lapina A.S., Repin A. V. Effect of the rock/water/air interaction on the complex dielectric permittivity and electromagnetic waves attenuation in water-saturated sandstones. Journal of Geophysical Research. 2015. P.1877-1880.
  15. Kupfer K. Electromagnetic Aquametry: Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances. Springer Science & Business Media. 2005. 546 p.
  16. Chen Y., Or D. Effects of Maxwell-Wagner polarization on soil complex dielectric permittivity under variable temperature and electrical conductivity. Water Resources Research. 2006. V.42. №6. P.1-14. https://doi.org/10.1029/2005WR004590
  17. Revil A. Effective conductivity and permittivity of unsaturated porous materials in the frequency range 1 mHz-1GHz. Water Resources Research. 2013. V.49. №1. P.306-327. https://doi.org/10.1029/2012WR012700
  18. Wagner N., Bore T., Robinet J.-C., Coelho D., Taillade F., Delepine-Lesoille S. Dielectric relaxation behavior of Callovo-Oxfordian clay rock: A hydraulic-mechanical-electromagnetic coupling approach. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2013. V.118. №9. P.4729-4744. https://doi.org/10.1002/jgrb.50343
  19. Kruschwitz S., Prinz C., Zimathies A. Study into the correlation of dominant pore throat size and SIP relaxation frequency. Journal of Applied Geophysics. 2016. V.135. P.375-386. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.07.007
  20. Bircher S., Demontoux F., Razafindratsima S., Zakharova E., Drusch M., Wigneron J.-P., Kerr Y. L-band relative permittivity of organic soil surface layers-A new dataset of resonant cavity measurements and model evaluation. Remote Sensing. 2016. V.8. №12. P.1024. https://doi.org/10.3390/rs8121024
  21. Ganjegunte G.K., Sheng Z., Clark J.A. Evaluating the accuracy of soil water sensors for irrigation scheduling to conserve freshwater. Applied Water Science. 2012. V.2. №2. P.119-125. https://doi.org/10.1007/s13201-012-0032-7
  22. Stogryn A. Equations for calculating the dielectric constant of saline water (correspondence). IEEE transactions on microwave theory and Techniques. 1971. V.19. №8. P.733-736.
  23. Birchak J.R., Gardner C.G., Hipp J.E., Victor J.M. High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture. Proceedings of the IEEE. 1974. V.62. №1. P.93-98. https://doi.org/10.1109/PROC.1974.9388