ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2026, № 9 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Влияние содержания глины и органического вещества на распределение времен релаксации в минерально-органических почвах

Ю.И. Лукин1, А.Ю. Каравайский1

1 Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия
PDF DOI: 10.30898/1684-1719.2026.9.6 Опубликована 9 ноября 2026

Аннотация

Измерены спектры комплексной диэлектрической проницаемости трех почв с различным гранулометрическим составом и содержанием органического вещества в диапазоне частот от 15 МГц до 15 ГГц и в диапазоне влажности от сухого состояния до наименьшей влагоемкости при температуре 25°C. Из полученных спектров КДП восстановлены функции распределения диэлектрических релаксаций. Анализ функций распределения времени релаксации выявил до девяти релаксационных процессов для всех образцов, сгруппированных по характерным временам: 6–50 пс, 20–120 пс, 800–20·10³ пс и от 10⁴ до более чем 10⁵ пс. Сопоставление с литературными данными позволило отнести самую медленную группу к релаксации Максвелла-Вагнера, вторую и третью группы – к релаксации связанной воды, в то время как первая группа включает вклад как несвязанной, так и связанной воды. Установлено, что увеличение влажности приводит к увеличению времени релаксации и расширению их распределения, наиболее выраженному в третьей группе. Показано качественное сходство влияния содержания глины и органического вещества на параметры релаксации, при этом времена экстремальных высокочастотных и низкочастотных процессов практически не зависят от состава почвы. Отмечены немонотонные изменения времен промежуточных релаксаций при изменении органоминерального состава.

  • диэлектрическая релаксация
  • функция распределения времен релаксаций
  • комплексная диэлектрическая проницаемость
  • влажная почва
  • органоминеральная почва
  • поляризация Максвелла-Вагнера
  • связанная вода
Abstract (in English)

The effect of clay and organic matter content on the relaxation time distribution in mineral-organic soils

The spectra of complex dielectric permittivity of three soils with different granulometric composition and different organic matter content were measured in the frequency range from 15 MHz to 15 GHz and in the moisture range from dry state to the minimum water-holding capacity at a temperature of 25°C. From the complex dielectric permittivity spectra obtained the relaxation time distribution functions were retrieved. Analysis of the relaxation time distribution functions revealed up to nine relaxation processes for all specimens, grouped by characteristic times: 6–50 ps, 20–120 ps, 800–20·103 ps and from 104 to greater than 105 ps. Comparison with literature data allowed attributing the slowest group to the Maxwell- Wagner relaxation, the second and third groups to bound water relaxations, while the first group includes contributions from both unbound and bound water. It was found that an increase in moisture leads to an increase in relaxation times and a broadening of their distribution, most noticeable in the third group. A qualitative similarity in the effect of clay and organic matter content on relaxation parameters was demonstrated, while the times of the extreme high-frequency and low-frequency processes remain practically independent of soil composition. Non-monotonic changes in the times of intermediate relaxations with varying organo-mineral composition were noted.

Финансирование

Работа выполнена в рамках научной тематики Госзадания Института Физики СО РАН.

Для цитирования

Лукин Ю.И., Каравайский А.Ю. Влияние содержания глины и органического вещества на распределение времен релаксации в минерально-органических почвах // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – № 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.9.6

Литература

  1. Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric behavior of wet soil-Part II: Dielectric mixing models. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007, №. 1, С. 35-46.
  2. Long D., Ulaby F. Microwave radar and radiometric remote sensing. – Artech, 2015.
  3. Mironov V.L., De Roo R.D., Savin I.V. Temperature-Dependable Microwave Dielectric Model for an Arctic Soil // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2010. – Т. 48, №. 6. – С. 2544–2556. https://doi.org/10.1109/TGRS.2010.2040034
  4. Schmugge T.J. Effect of texture on microwave emission from soils // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 1980. – №. 4. – С. 353–361.
  5. Budzeń M. et al. Effect of soil compaction on the measurements of complex dielectric permittivity spectrum with an open-ended antenna probe and the coaxial cell system // Measurement. – 2024. – Т. 237. – С. 115307.
  6. Szypłowska A. et al. Influence of temperature on soil dielectric spectra in the 20 MHz–3 GHz frequency range // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2023. – Т. 61. – С. 1-10.
  7. Wagner N. et al. Experimental investigations on the frequency-and temperature-dependent dielectric material properties of soil // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2011. – Т. 49. – №. 7. – С. 2518-2530.
  8. Kaatze U. Complex permittivity of water as a function of frequency and temperature // Journal of Chemical and Engineering Data. – 1989. – Т. 34, №. 4. – С. 371–374.
  9. Hilhorst M.A. et al. Dielectric relaxation of bound water versus soil matric pressure // Soil Science Society of America Journal. – 2001. – Т. 65. – №. 2. – С. 311-314.
  10. Hoekstra P., Delaney A. Dielectric properties of soils at UHF and microwave frequencies // Journal of geophysical research. – 1974. – Т. 79, №. 11. – С. 1699–1708.
  11. Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics // The Journal of chemical physics. – 1941. – Т. 9, №. 4. – С. 341–351.
  12. Macutkevic J., Banys J., Matulis A. Determination of the distribution of the relaxation times from dielectric spectra // Nonlinear analysis: modelling and control. – 2004. – Т. 9, №. 1. – С. 75–88.
  13. Tikhonov A.N., Arsenin V.Y. Solutions of ill-posed problems. – Washington: Winston & Sons, 1977. – 258 с.
  14. Böttcher C.J. F., Bordewijk P. Theory of electric polarization: Volume 2. – Amsterdam: Elsevier, 1978. – 564 с.
  15. Schichlein H. et al. Deconvolution of electrochemical impedance spectra for the identification of electrode reaction mechanisms in solid oxide fuel cells // Journal of Applied Electrochemistry. – 2002. – Т. 32. – №. 8. – С. 875-882.
  16. Каравайский А.Ю., Лукин Ю.И. Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в мерзлой и талой органоминеральной почве в диапазоне частот от 10 МГц до 15 ГГц // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – № 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.3.6
  17. Лукин Ю.И., Каравайский А.Ю. Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в минеральной среднеглинистой почве // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.11.18
  18. Mironov V.L. et al. Method of retrieving permittivity from S 12 element of the waveguide scattering matrix // 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). – IEEE, 2013. – С. 1-3.
  19. Loewer M. et al. Ultra-broad-band electrical spectroscopy of soils and sediments–A combined permittivity and conductivity model // Geophysical Journal International. – 2017. – Т. 210. – №. 3. – С. 1360-1373.
  20. Hasted J.B., Cole R.H. Aqueous dielectrics. – American Institute of Physics, 1975.
  21. Mironov V.L. et al. Joint studies of water phase transitions in Na-bentonite clay by calorimetric and dielectric methods // Cold Regions Science and Technology. – 2018. – Т. 153. – С. 172-180.
  22. Wu A., Sun Y. Granular dynamic theory and its applications. – Springer, 2008.