Использование метода ядерного магнитного резонанса в измерении соотношения масс различных типов воды в почвах

Использование космических средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды

В результате установлено, что температурная зависимость КО при оттаивании/замерзании почвы арктической тундры может быть использована в качестве калибровочной кривой для оценки средней физической температуры первых 10 см деятельного слоя почвы как в процессе замерзания, так и в процессе оттаивания. При этом погрешность определения средней физической температуры первых 10 см деятельного слоя почвы арктической тундры не превышает ±1,9 °С. Предложенный метод создан специально для реализации в алгоритмах космических аппаратов SMAP и ALOS-2.

Библиографические ссылки

1. Duguay R., Pietroniro A. Remote Sensing in Northern Hydrology: Measuring Environmental Change / AGU. Washington, D. C., 2005.

2. Monitoring Freeze/Thaw Cycles Using ENVISAT ASAR Global Mode / S.-E. Park, A. Bartsch, D. Sabel et al. //

Remote Sensing of Environment. 2011. Vol. 115. P. 3457-3467.

3. Komarov S. A., Mironov V. L. Microwave Remote Sensing of Soils. Novosibirsk : Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2000.

4. Brehovskih L. M. Waves in Layered Media. Kiev : Academy of Sciences URSS, 1957.

5. Mironov V. L., De Roo R. D., Savin I. V. Temperature-Dependable Microwave Dielectric Model for an Arctic Soil // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2010. Vol. 48, № 6. P. 2544-2556.

6. Alaska Geobotany Center: Biocomplexity of Forest Boil Ecosystems [Electronic resource]. 2001. URL: http://www.geobotany.uaf.edu/cryoturbation/project/frblu ffs/ (date of visit: 30.07.2012).

7. Biocomplexity of Patterned Ground Data Report / J. E. Barreda, J. A. Knudson, D. A. Walker et al. Dalton Highway, 2001-2005. Fairbanks, 2006.

I. V. Savin, S. V. Fomin, A. A. Shvaleva Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk

K. V. Muzalevskiy

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE CO-POLARIZATION RATIO RADAR BACKSCATTERING COEFFICIENT FOR REMOTE SENSING OF THE ARCTIC TUNDRA

In the article, a measuring of the average temperature in the active layer of the Arctic tundra soil theoretically have been investigated, using the temperature dependence of the co-polarization ratio radar backscattering coefficient.

© Савин И. В., Фомин С. В., Швалева А. А., Музалевский К. В., 2012

УДК 536.42, 539.143.43, 681.2.083

А. А. Суховский, Ю. И. Лукин, Н. В. Волков Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

В. Л. Миронов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ИЗМЕРЕНИИ СООТНОШЕНИЯ МАСС РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ВОДЫ В ПОЧВАХ

Предложен независимый метод определения максимального содержания связанной и переходной воды в почвах с помощью ядерного магнитного резонанса.

Использование адекватной диэлектрической модели в обратных задачах дистанционного радиофизического зондирования является определяющим фактором в точности восстановления физических параметров природных объектов, в частности почв, по данным радарного и радиометрического измерения. Наиболее удобны в использовании в космическом зондировании почв физические модели, в которых в качестве параметров входят физические величины. Подобные модели могут применяться для различных типов почв и позволяют учитывать фазовые переходы различных типов почвенной влаги в процессе замо-

раживания-оттаивания. Основной проблемой при разработке диэлектрической модели является то, что вода в почве может находиться в связанном, переходном и свободном состоянии, и каждый тип воды различается по электрофизическим свойствам [1]. Рефракционная диэлектрическая модель [2] позволяет учитывать диэлектрические свойства воды в различных состояниях и определять относительное содержание и комплексную диэлектрическую проницаемость каждого типа воды; кроме того, в качестве параметра в этой модели используется максимальное содержание связанной и переходной воды.

Решетневские чтения

Представлен метод измерения максимального содержания связанной и переходной воды средствами ЯМР-спектроскопии [3]. С помощью ранее существовавших методов ЯМР можно было определять сод ер -жание только незамерзшей воды в мерзлой почве. Представленный метод позволяет различать типы незамерзшей воды и измерять их парциальные массы.

Спектры ЯМР !Н образцов бентонитовой глины записывались на импульсном спектрометре AVANCE 300 производства фирмы «Брукер» на частоте прецессии магнитного момента атома !Н в молекуле H2O (300,14 МГц) в диапазоне температур от 20 до -35 °С для анализа изменения состояния воды в процессе замораживания с точки зрения подвижности атомов водорода. Для записи спектров использовалась стандартная методика фурье-спектроскопии. Длительность 90-градусного радиочастотного импульса составляла около 2 мкс. После преобразования Фурье накопленного сигнала индукции измерялась ширина спектра на половине высоты.

Получены экспериментальные данные полуширины спектра ЯМР бентонитовой глины в зависимости от влажности (рис. 1).

связанной и переходной воды для каждой температуры (рис. 2).

Рис. 1. Зависимость полуширины спектра ЯМР бентонита

от влажности при температуре: 1 - -20 °С; 2 - -8 °С; 3 - 0 °С; 4 - 25 °С. Сплошными линиями обозначены результаты кусочно-линейной аппроксимации

Было высказано предположение, что по аналогии с рефракционной диэлектрической моделью полуширина спектра ЯМР бентонитовой глины имеет кусочно-линейную зависимость от влажности, с точками излома, соответствующими максимальному содержанию связанной воды и максимальному содержанию переходной воды.

В результате кусочно-линейной аппроксимации были получены значения максимального содержания

Рис. 2. Максимальное содержание связанной (1) и переходной (2) воды в зависимости от температуры

Результаты измерения максимального содержания переходной воды совпадают с данными, полученными диэлектрическим методом [4], но результаты измерений для связанной воды хоть и близки, но несколько различаются, тем не менее точность измерения методом ЯМР-спектроскопии выше. Объяснить это можно тем, что в основе исследования состояния воды в бентоните этими методами лежат различные физические процессы. Несмотря на то что данный факт предполагает дальнейшее исследование свойств воды в почвах, метод ЯМР можно предложить в качестве независи -мого способа измерения максимального содержания различных типов воды в почве при разработке диэлектрических моделей, а также для идентификации и измерения парциального содержания различных типов незамерзшей воды в мерзлых почвах и грунтах.

Библиографические ссылки

1. Грунтоведение / В. Т. Трофимов, В. А. Королев, Е. А. Вознесенский и др. М. : Наука, 2005.

2. Комаров С. А., Миронов В. Л. Микроволновое зондирование почв. Новосибирск : Науч.-изд. центр СО РАН, 2000.

3. Абрагам А. Ядерный магнетизм. М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1963.

4. Миронов В. Л., Лукин Ю. И. Физическая модель диэлектрических спектров талой и мерзлой бентонитовой глины в диапазоне частот от 1 до 15 ГГц // Изв. высш. учеб. заведений. Физика. Томск, 2010. Т. 53, № 9. С. 71-76.

A. A. Suhovsky, Yu. I. Lukin, N. V. Volkov Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk

V. L. Mironov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

NMR IN MASS RATIO MEASUREMENT OF DIFFERENT TYPES OF WATER IN SOILS

Independent measuring method of maximum content bound and transition water in soils with NMR has been proposed.

© Суховский А. А., Лукин Ю. И., Волков Н. В., Миронов В. Л., 2012