سابِق|تال

دراسة تجريبية على خصائص استجابة إشعاع الميكروويف لنطاق L للتربة السوداء تحت ظروف التجمد

  • role： First author第一作者
  • Affiliation：

    School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China

  • Email：845480611@qq.com
  • Introduction：孙孟琦，研究方向为冻土遥感。E-mail：845480611@qq.com
SUN Mengqi1,  
  • role： Corresponding author通信作者
  • Affiliation：

    School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China

  • Email：kou_xiaokang@163.com
  • Introduction：寇晓康，研究方向为微波遥感。E-mail：kou_xiaokang@163.com
KOU Xiaokang1*,  
  • Affiliation：

    Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China

JIANG Tao2,  
  • Affiliation：

    School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China

JIN Mengjie1,  
  • Affiliation：

    Institute of Geographical Sciences, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050011, China

YAN Shuang3

ملخص

في استشعار المعاملات المجمدة، يتمتع نطاق L بقدرة اختراق أقوى مقارنة بموجات الميكروويف الأخرى، مما يجعله أكثر تميزًا. الدراسات الحالية حول استجابة إشعاع الميكروويف لنطاق L ما زالت قليلة نسبيًا، وخصائص استجابة إشعاع الميكروويف للتربة تحت ظروف التجمد بحاجة إلى مزيد من الوضوح. بناءً على ذلك، ركزت هذه الدراسة على التربة السوداء في منطقة التربة المتجمدة النموذجية بشمال شرق الصين، حيث أجريت تجارب ميدانية باستخدام مقياس إشعاع ميكروويف ثنائي الاستقطاب بتردد 1.414 جيجاهرتز على تربة سوداء ذات محتوى مائي أولي مختلف أثناء ظروف التجمد الطبيعي الشتوي. من خلال نتائج التجارب، تم تحليل تغير عمق استجابة إشعاع الميكروويف للتربة السوداء أثناء وبعد التجمد. أظهرت النتائج أنه أثناء التجمد، كان عمق استجابة الميكروويف لنطاق L للتربة ذات محتوى مائي 10٪ و30٪ أكبر من 5 سم، وفي الوقت نفسه، لا يزال محتوى الماء في التربة يلعب دورًا رئيسيًا في درجة الحرارة الساطعة. بالإضافة إلى ذلك، بعد التجمد، يؤثر المحتوى المائي الأولي على عمق استجابة إشعاع الميكروويف لنطاق L من خلال تأثيره على محتوى الماء غير المجمد: بعد التجمد، كان عمق الاستجابة لإشعاع الميكروويف للتربة السوداء ذات المحتوى المائي الأولي 0٪ (تربة باردة) و10٪ بين 100-105 سم و50-60 سم على التوالي؛ أما لتربة ذات محتوى مائي أولي 20٪ و30٪، فكان العمق بين 35-50 سم و25-35 سم على التوالي. علاوة على ذلك، أكدت هذه الدراسة أن عمق استجابة إشعاع الميكروويف للتربة المتجمدة أعلى من عمق الاختراق المحسوب بناءً على نموذج Ulaby وآخرون (1981) تحت نفس درجة الحرارة ومحتوى الماء. إجمالاً، تحمل هذه الدراسة قيمة مرجعية هامة في مجال استرجاع المعاملات بالتربة المتجمدة باستخدام الاستشعار عن بعد.

مفهوم

مقياس إشعاع الميكروويف;عمق الاستجابة;نطاق L;التربة المتجمدة;التربة السوداء

مقدمة

الميكروويف لديه بعض الاختراق و حساس جدا التجميد تحسن حالة التربة )李欢 等，2023. لا في مجال الاستشعار عن بعد بالموجات فوق الصوتية سطح الأرض المعلمة ، الحث على العمق هو مفهوم هام جدا ، الذي يمثل عمق التربة المقابلة إشارة الميكروويف القياسات . في عمق معين ، ورطوبة التربة أو غيرها من المعالم سوف تؤثر على انبعاث الموجات الدقيقة في بعض الفرقة . في العام ، يعد الطول الموجي ، أعمق عمق الحث . ولذلك ، في الكشف عن تجميد المعلمة ، ل الفرقة لديها ميزة على ج ، س ، ك . في السنوات الأخيرة ، مع استمرار تشغيل النطاق الترددي L الميكروويف الاشعاع في المدار ، قوية القدرة على الاختراق جذبت الكثير من الاهتمام من العلماء . خلال فترة التجميد الموسمي ، أول مرحلة تغيير الماء في التربة السطحية إلى جليد ، سماحية انخفضت فجأة ، الميكروويف يمكن الكشف عن عمق الحث على تعميق جنبا إلى جنب مع محتوى الماء في التربة استمرت في الانخفاض ، ومن المتوقع أن استخدام النطاق الترددي L للحصول على معلومات عن تجميد التربة الضحلة المعلمات في عشرات سنتيمترات ، والتي لا يمكن إلا أن توفر الدعم من أجل عملية سطح الأرض ، وتجميد والذوبان وتآكل التربة وغيرها من البحوث ذات الصلة ، ولكن أيضا العديد من العلماء في الآونة الأخيرة بالقلق إزاء p-band المعلمات الكشف عن إشارة .
العديد من المصطلحات ذات الصلة إلى عمق الاستقرائي ، مثل عمق الاختراق ، تم تعريفها في الدراسات السابقة .Ulaby等，1981عمق العينة الحرارية )Wilheit，1978عمق رطوبة التربة )Njoku等，1980عمق انعكاس رطوبة التربة )Shen等，2021عمق الاستجابة للإشعاع الميكروويف )Zhang等，2019. لا عمق الاختراق بأنها عمق المسافة من سطح التربة عند شدة الإشعاع الكهرومغناطيسي من الموجات الكهرومغناطيسية في التربة يقلل من 1 / ه من القوة الأولية .Ulaby等，1981ق
في هذه الصيغة ، ε و ε تمثل الجزء الحقيقي و الجزء الافتراضي من سماحية معقدة من التربة والمياه والتربة ، على التوالي .Zhang等，2010نWu等，2022حساب .
ومع ذلك ، فإن آلية الكشف عن الميكروويف الميكروويف السلبي النشط يختلف عن ذلك ، لذلك هذا النموذج لا ينطبق تماما على الميكروويف السلبي الاستشعار عن بعد .Njoku等（1980）في هذه الورقة ، مفهوم درجة الحرارة الاستشعار عن بعد العمق المقترح ، الذي يمثل عمق الإشعاع المنبعث من التربة ( 1-1 / ه ) ، الذي هو على مقربة من عمق العينة الحرارية التي اقترحها wilheit . . . . . . .Wilheit，1978. لا赵少杰等（2020）على أساس نظرية النموذج ، نموذج إحصائي لتقدير عمق العينة الحرارية السلبي الميكروويف الاستشعار عن بعد المتقدمة . في السنوات الأخيرة ،Lv等（2019）عمق درجة الحرارة الاستشعار هو تعريف عمق المقابلة حيث درجة حرارة التربة تساوي درجة حرارة التربة المتاحة . في دراسات محددة ، عمق المياه في التربة هو أكثر قلقا من قبل العلماء .Njoku等（1980）ويعرف عمق المقابلة الابتعاثية السطحية التي تحددها رطوبة التربة . الطريقة الشائعة لتقدير رطوبة التربة بفعل العمق هو ربط لاحظ سطوع درجة الحرارة مع متوسط قياس رطوبة التربة على مختلف سمك التربة .Shen等（2021）ومن المقترح أنه قد يكون أكثر دقة في تغيير عمق التربة والمياه عكس . رطوبة التربة عكس العمق يعتمد أساسا على رطوبة التربة و تردد المراقبة ، وقد أظهرت الدراسات أن تحت مختلف رطوبة التربة ، أقصى عمق موجة ل باندZheng等，2019نBrakhasi等，2023ن王定文 等，2016وفي الوقت نفسه ، يعتقد العلماء عموما أنه مع زيادة محتوى الرطوبة في التربة ، عمق التربة الاستقرائي يميل إلى الانخفاض )Ulaby等，1981نWilheit，1978نNjoku等，1980. لا البحث عن عمق إشعاع الموجات الدقيقة التعريفي هو أساسا غير المجمدة في التربة . في الوقت الحاضر ، هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات على عمق التربة المجمدة التعريفي . في مجال الاستشعار عن بعد لرصد التغيرات السطحية التجميد والذوبان ، درجة حرارة التربة حوالي 0-5 سم عمق سطح الأرض عادة ما تستخدم للتحقق من نتائج الاستشعار عن بعد بالقرب من السطح التجميد والذوبان التمييز )Zhao等，2011و2017نKou等，2017ن寇晓康 等，2020. لاRautiainen等（2014）في دراسة التربة المتجمدة ، إشارة قيمة سماحية التربة المتجمدة هو 5-0.5j و عمق الاختراق في النطاق L هو 15.3 سم باستخدام نموذج حساب عمق الاختراق اولابي المذكورة أعلاه . وعلى النقيض من ذلك ، إشعاع الموجات الدقيقة إشارة من التربة في الميكروويف الاستشعار عن بعد السلبي يتلقى فقط من خلال طريقة واحدة التوهين من الطبقة العليا من التربة . في هذا الصدد ،Zhang等（2019）في هذه الورقة ، إشعاع الموجات الدقيقة استجابة العمق هو عرض لوصف عمق التربة الاستقرائي ، الذي يعرف بأنه عمق التربة المقابلة للإشعاع الميكروويف إشارة في التربة العارية . لسوء الحظ ، فقط ج ، س ، ك ، ك العصابات المستخدمة في الدراسة ، و ل العصابات لم تؤخذ في الاعتبار .
ولذلك ، هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات على عمق استجابة التربة المتجمدة تحت النطاق L . إشعاع الموجات الدقيقة استجابة العمق يدل على أن الإشارات الواردة من أجهزة الاستشعار الميكروويف السلبي يأتي من طبقات التربة سميكة ، غير المجمدة ، إشعاع الموجات الدقيقة استجابة العمق يعتمد أساسا على محتوى الماء ، ولكن في عملية تجميد التربة بعد التجميد ، ما هي العلاقة بين محتوى الرطوبة الأولية ، سمك طبقة التربة المجمدة ، والإشعاع درجة الحرارة تحتاج إلى مزيد من التوضيح . ولهذا السبب ، فإن هذه الدراسة لا تزال تستخدم )Zhang等，2019في هذه الورقة ، مفهوم الإشعاع الميكروويف عمق الاستجابة المقترحة ، مع نموذجي التربة السوداء في شمال شرق الصين كما هدف البحث ، من خلال رصد التجارب الكمية ، والتغيرات في عمق الإشعاع الميكروويف استجابة أثناء وبعد التجميد تم استكشافها من أجل توفير مرجع علمي لدراسة الاستشعار عن بعد والنمذجة الفيزيائية ، حساب التنمية والتحقق من تجميد ذوبان الجليد المنتجات .

التصميم التجريبي

نظام القياس التجريبي

المعدات المستخدمة في التجربة هو النطاق الترددي L الاستقطاب المزدوج الميكروويف الاشعاع ، لاحظ تردد 1.414 غيغاهرتز ، عرض النطاق الترددي 27 ميغاهيرتز ، والحساسية 0.2 ك الميكروويف الاشعاع يمكن الحصول على معلومات فعالة من خلال تلقي الإشعاع الكهرومغناطيسي و تعكس الطاقة من الكشف عن الهدف من المشهد . عادة في التطبيق العملي ، أي ما يعادل درجة الحرارة المستخدمة لقياس الطاقة الإشعاعية ، ومن ثم نقل المعلومات إلى جهاز الكمبيوتر عن طريق المتلقي . هوائي الميكروويف الاشعاعFig. 1من أجل الحد من تأثير التغير في درجة الحرارة المحيطة على دقة الكشف ، والإشعاع المتلقي يوضع في درجة حرارة ثابتة ، درجة الحرارة الداخلية من المتلقي هو ثابت في 27 ± 1 ℃ . . . . . . .
figure

Fig. 1 Schematic diagram of microwave radiometer

2-2 البيئة التجريبية

في هذه الدراسة ، بالقرب من حقل الملاحظات ( الفرق بين القريب والبعيد في الميدان لم تؤخذ في الاعتبار ) تم اختيارها في شمال شرق معهد الجغرافيا و البيئة الزراعية ، الأكاديمية الصينية للعلوم ، في ضاحية مدينة تشانغتشون ، مقاطعة جيلين . من خلال التجارب السابقة ، وجد أن البيئة المحيطة قد تتداخل مع إشعاع الموجات الدقيقة إشارة قوية بسبب الأنشطة البشرية المختلفة في النهار . من أجل تجنب تأثير أشعة الميكروويف الأخرى على مراقبة التجربة ، التجربة يختار 2 صباحا إلى 7 صباحا كل يوم لمراقبة ، في هذه الفترة الزمنية ، الطرفية إشارة الإشعاع يؤثر على أقل من 1 كيلو . تأثير الإشعاع الشمسي على التغيرات في درجة الحرارة السطحية من عينات التربة لا تحتاج إلى النظر في هذه الفترة الزمنية . خلال التجربة ، درجة حرارة البيئة الخارجية أساسا استقرت في - 17 ± 1 ℃ ، والتي هي مفيدة جدا في التجربة .

2-3 إعداد عينات التربة التجريبية

التربة المستخدمة في هذه التجربة مأخوذة من حقل الذرة في شمال شرق معهد الجغرافيا و البيئة الزراعية ، الأكاديمية الصينية للعلوم . التربة السوداء هو نوع من التربة الطينية التي لديها خصائص قوية من الانكماش والانزعاج . بسبب لزوجة التربة الثقيلة ، وذوبان تجميد المياه والأمطار الموسمية من الصعب التسلل ، مما أدى إلى احتباس الماء في الطبقة العليا من التربة ، قدرة التربة على المياه ، ولكن نفاذية المياه الصغيرة . الكثافة الظاهرية للتربة 1.5 غ / سم مكعب ، والمسامية الإجمالية حوالي 50 ٪ . في هذه التجربة ، 14.58 ٪ من الطين ، 66.07 ٪ مسحوق ، 19-35 ٪ من الرمل و 35 ٪ من المواد العضوية المستخدمة .
من أجل التحقيق في التغيرات في خصائص الإشعاع الميكروويف استجابة التربة السوداء أثناء التجميد و بعد التجميد في ظل ظروف مختلفة من محتوى الماء ، قبل التجربة ، التربة التي تم جمعها تم فرزها من قبل 2 ملم الشاشة ، ثم بعد التجفيف ، ثلاثة أنواع من المحتوى المائي للتربة كانت نسبة 0 ٪ ، 10 ٪ ، 20 ٪ و 30 ٪ على التوالي . ثم يتم وضعها في صناديق الألومنيوم مع سماكة مختلفة ووضعها موضع الاستخدام . جميع محتويات الرطوبة المذكورة في هذه الورقة هي كتلة محتوى الرطوبة ، والتي يتم تحويلها إلى حجم محتوى الرطوبة في نموذج الحساب .

2-4 خطة تجريبية لمراقبة درجة حرارة التربة السوداء أثناء التجميد

2-4-1 تحديد مجال الرؤية

قبل تجربة المراقبة الرسمية ، مجال الرؤية من الاشعاع يقاس أولا . أربع لوحات الحديد 2 م × 4 م وضعت في موقع الاختبار ، والإشعاع ثابتة على لوحة الحديد . لأن الفرق في درجة الحرارة بين الجسم الأسود و الحديد لوحة واضحة ، المنطقة الرئيسية من مجال الرؤية يمكن تحديدها من خلال تغيير توزيع الجسم الأسود على الحديد لوحة . في عملية تحديد مجال الرؤية ، كتلة الجسم الأسود يستخدم التدرج في مجال الإشعاع المباشر في نسبة معينة ، الجسم الأسود يسجل سطوع درجة الحرارة مرة واحدة كل 10 سم في الاتجاه الأمامي من الإشعاع ، حتى كتلة الجسم الأسود يغطي تماما لوحة من الحديد ، وأخيرا ، كتلة من الجسم الأسود في مجال الإشعاع المباشر هو تفكيكها ، و سطوع محددة درجة الحرارة البيانات المسجلة ، تغيير السعة من سطوع درجة الحرارة و الوزن من منطقة الإشعاع المباشر هو محسوب . من أجل جعل حساب النتيجة أكثر دقة ، كتلة الجسم الأسود هو على استعداد لوضع في الهواء الطلق أكثر من 5 ساعات قبل التجربة ، مما يجعلها تتفق مع درجة الحرارة في الهواء الطلق . وفي الوقت نفسه ، وضع مقياس الاشعاع هو ثابت ، و زاوية الملاحظة هو ثابت على 40 درجة من الدعم ، وهو ما يتسق مع سماب الأقمار الصناعية .
Fig. 2وهكذا ، عندما لا يكون هناك تغطية الجسم الأسود والإشعاع الخلفية كلها لوحة من الحديد ، درجة حرارة الإضاءة المقابلةفي هذه الحالة ، ح الاستقطاب سطوع درجة الحرارة 87 ك و ت الاستقطاب سطوع درجة الحرارة 108 ك . مع زيادة المسافة من الجسم الأسود ، سطوع درجة الحرارة قيمة الاتجاه التصاعدي .في وقت لاحق ، فقط آخر جسم أسود ( منطقة الإشعاع المباشر ، منطقة 0.5 م × 0.5 م ) هو الحفاظ على بقية الجسم الأسود تماما إزالتها .في هذه الحالة ، ح الاستقطاب سطوع درجة الحرارة 220 ك ، ف الاستقطاب سطوع درجة الحرارة 230 ك . لنفترض أن الإشعاع المباشر في المنطقة ، وهذا هو ، في المنطقة التي تحتوي على الأرض الألومنيوم مربع ( 0.5 × 0.5 م ) مساهمة في سطوع درجة الحرارة < أنا > ص ( 0 ٪ & اللفتنانت ؛ أنا > ص > اللفتنانت . 100 ٪ ) ، يمكن استخلاص المعادلة التالية :
ح و ت الاستقطاب الاستقطاب مشرق درجة الحرارة القيم في المعادلة ، على التوالي ، و < أنا > ص > أنا > 90.5 في المائة و 96.8 في المائة . ولذلك ، يمكن استنتاج أن 0.5 م * 0.5 م المجال الرئيسي هو مجال الرؤية مباشرة من الإشعاع ، بعد تكرار التجارب ، وجد أن تدخل البيئة المحيطة على سطوع درجة حرارة مجال الرؤية الرئيسية هي نفسها تقريبا ، حتى في هذه التجربة ، تأثير الإشعاع على البيئة المحيطة بأنها خطأ منهجي و أهملت تأثيرها على سطوع درجة الحرارة تغيير الاتجاه .
figure

Fig. 2 Correlation between the distance of black bodies advancing towards the central region and the variation in radiometer-received brightness temperature

2-4-2 تصميم نظام رصد عملية التجميد

وفقا لحجم 0.5 م × 0.5 م ، 5 و 15 سم عمق التربة تحتوي على صناديق الحديد على التوالي . اثنين من عينات التربة التي تحتوي على 10 ٪ و 30 ٪ من محتوى الرطوبة في الوزن وضعت في مربع الحديد ، على النقيض من التجربة . رصد أشكال عملية التجميدFig. 3كما هو مبين . المسافة بين الهوائي و سطح التربة دائما 4.5 سم عن طريق ضبط ارتفاع الصك . التحقيق في درجة الحرارة جزءا لا يتجزأ من طبقات التربة ( 0-5 , 5-10 , 10-15 سم ) في عملية التجربة لمراقبة التغيرات في درجة حرارة التربة أثناء التجميد .
figure

Fig. 3 The positioning of radiometer （Observation of freezing process）

2-5 تصميم نظام رصد عمق استجابة التربة بعد التجميد

2-5-1 التصميم التجريبي لرصد طبقة التربة المجمدة

في الدراسات السابقة على عمق التربة المتجمدة بفعل إشعاع الموجات الدقيقة ، وذلك أساسا عن طريق الميكروويف الاشعاع الهابط طريقة الملاحظة ، من ناحية ، فإنه من الصعب تجنب تدخل من الطبقة السفلى من التربة ، من ناحية أخرى ، فإنه من الصعب الكشف عن عمق الحدود . ولذلك ، فإن هذه الدراسة تحاول إجراء التجارب الكمية التي تواجه السماء للكشف عن عمق استجابة الإشعاع الميكروويف في التربة المتجمدة ، مثلFig. 4كما هو مبين . قبل التجربة ، التربة مع 0 ٪ ، 10 ٪ ، 20 ٪ و 30 ٪ من محتوى الرطوبة الأولية وضعت في الهواء الطلق الاحتياطي مقدما . في التجربة ، رغوة مربع ( العزل الحراري اختراق المواد ) يستخدم لعقد التربة ( حجمها 60 * 50 * 25 سم ) ، المسافة بين الجزء السفلي من مربع رغوة والإشعاع هو 4.5 سم ، عندما عمق استجابة أعلى من ارتفاع مربع رغوة ، رغوة مربع تراكب ، l-band الاشعاع هو وضع عمودي ، والإشعاع هو فتح التصاعدي ، قوس يستخدم لدعم رغوة مربعFig. 4. لا سطوع درجة الحرارة وسمك طبقة التربة المتجمدة بالتسلسل سجلت من خلال تراكب من التربة المتجمدة طبقة .
figure

Fig. 4 The positioning of radiometer （Post-freezing observation）

وتجدر الإشارة إلى أن التربة التي تحتوي على 20 ٪ و 30 ٪ من محتوى الرطوبة الأولية قد تتصلب في درجات حرارة سلبية بسبب ارتفاع محتوى الرطوبة ، مثلFig. 5وتظهر النتائج أنه في عملية التراص من طبقة إلى طبقة ، كل طبقة من السهل جدا أن تظهر المياه وتجميد غير موحدة ، من الصعب تحقيق المراقبة الكمية ، لذلك ، في هذه الدراسة ، مختلف محتوى الرطوبة في التربة المتجمدة طبقة تراكب على النقيض من الطريقة غير المباشرة لقياس عمق الاستجابة ، وفي الوقت نفسه ، غير متجانسة ومعقدة طبقة التربة المتجمدة ( محتوى الرطوبة في طبقات مختلفة ليست متسقة ) ل باند عمق الاستجابة .
figure

Fig. 5 The soil compaction condition of the black soil after freezing

حساب محتوى الماء في التربة المجمدة

الرطوبة في التربة يمكن أن تمتص إشارة الميكروويف . عندما تجمد التربة ، جزء من الماء السائل هو دائما محفوظة في التربة المتجمدة ، أي المياه المجمدة . وقد أظهرت الدراسات أن هناك علاقة طردية بين محتوى الرطوبة الأولية و unfreezing محتوى الماء في نفس درجة الحرارة .路建国 等，2017. لا هذه المادة تستخدم صيغة تجريبية لحساب محتوى الماء غير المجمد )Zhang等，2017. لا الصيغة المحددة هي كما يلي :
نوعالمياه المجمدة .محتوى الرطوبة الأولية ؛درجة حرارة التربة المجمدة ،هو ثابت < أنا > ω هو تركيب المعلمة . وفقا لنموذج التربة والبيئة التجريبية ، تركيب المعلمة ω 0.178 .مجموعة - 0.69 ℃ )蒋瑶钰 等，2023متوسط درجة الحرارة في بداية ونهاية التجربة .

النتائج التجريبية وتحليل ل الفرقة استجابة عمق الملاحظة

في الميكروويف الاستشعار عن بعد السلبي ، واستخدام درجة حرارة الضوء لقياس خصائص الأرض )童洁 等，2024درجة الحرارة هي نتاج الابتعاثية ودرجة الحرارة .
نوعمشرق درجة الحرارة ؛ يمثل الخامس أو ح الاستقطاب الاستقطاب ؛ ه > الابتعاثية . ر > هو درجة الحرارة الفعالة التي تصف قدرة الإشعاع من طبقة التربة ، تتناسب مع درجة الحرارة الحرارية )Lv等，2016. لا
في عملية التجميد ، الميكروويف الاشعاع لوحظ نزولا ، درجة حرارة التربة أكثر من 0 درجة مئوية ، على أرض الواقع ، هناك وضع لوحة من الحديد و التربة تحتوي على الألومنيوم مربع ، لوحة من الحديد و التربة تحتوي على الألومنيوم مربع درجة حرارة البيئة المحيطة هي نفسها تقريبا ، مستقرة في - 17 درجة مئوية ، وانخفاض الابتعاثية من لوحة الألومنيوم بحيث تصبح مثالية المواد الأساسية ، وبالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن الدرع من تحت لوحة من الألومنيوم إشارة . لنفترض أن خصائص التربة موحدة مع العمق ، انعكاسية لوحة الألومنيوم هو 1 ، واحد نثر البياض صغيرة بما يكفي تجاهل منتشر نثر )Zhang等，2019. لا سطح التلامس بين الهواء و سطح التربة هي الحدود 1 ، سطح التلامس بين التربة و لوحة الألومنيوم هو الحدود 2 .Zhang等，2019ق
نوعالإشعاع التصاعدي للتربة ،جزء من التربة حيث الإشعاع الهابط ينعكس في نهاية المطاف استيعابها من قبل التربة . ثيتا > يمثل زاوية السقوط . يمثل الاستقطاب .
式（5）وسطو .يمكن أن يكون式（6）حساب
في هذه الصيغة ، < > Γ انعكاسية الحدود 1 و 2 ، على افتراض أن واحد نثر البياض صغيرة بما يكفي تجاهل منتشر نثر )Wang等，2024. لا الانعكاس على الحدود 1 يمكن حسابها باستخدام قانون فريسنل ، والانعكاس على الحدود 2 لوحة الألومنيوم هو تعيين إلى 1 . على أساس نظرية أعلاه ، فإن النتائج التجريبية وتحليلها .

3-1 تحليل النتائج التجريبية على تجميد التربة تحت نفس المحتوى المائي الأولي وسمك مختلفة

Fig. 6التغيرات في درجة الحرارة و محتوى الماء في التربة غير المجمدة سطوع 10 ٪ من محتوى الرطوبة في التربة الأولية أثناء التجميد تم عرضها . ب > ?Fig. 6وتظهر النتائج أن درجة حرارة التربة سطوع 15 سم سمك أعلى من 5 سم سمك تحت نفس الأولي محتوى الرطوبة ودرجة الحرارة .式（4）السبب هو أن الفرق بين درجة حرارة التربة و درجة الحرارة المحيطة ( - 17 ℃ ) ، درجة حرارة التربة هو أعلى بكثير من درجة الحرارة الألومنيوم مربع درجة الحرارة ، درجة الحرارة المحيطة . من هذا يمكننا أن نستنتج أن ل باند الميكروويف استجابة عمق أكبر من 5 سم في التربة الأولية 10 ٪ محتوى الرطوبة أثناء التجميد .
figure

Fig. 6 Comparison between brightness temperature of black soil with the thickness of 5 cm and 15 cm under the same original moisture content of 10% during the freezing process

قبل أن تصل إلى درجة حرارة التجميد ( تجميد درجة حرارة التربة - 0.69 ℃ ) ، سطوع درجة حرارة التربة تتأثر أساسا درجة الحرارة . عندما تصل درجة حرارة التربة المجمدة ، غير مجمدة محتوى الماء انخفض فجأة ، التربة الابتعاثية زيادة ، مما أدى إلى ارتفاع درجة الحرارة مشرق . مع مزيد من الانخفاض في درجة الحرارة ، محتوى الماء في التربة المجمدة انخفضت ، ولكن محتوى الماء في التربة الأولية منخفضة ( 10 في المائة فقط ) ، وانخفاض درجة الحرارة ليست واضحة ، في هذا الوقت ، درجة الحرارة الخارجية أساسا تتأثر درجة الحرارة ، مما يدل على اتجاه الانخفاض البطيء . النتائج التجريبية تتفق مع نتائج المحاكاة .
التغيرات في درجة الحرارة سطوع التربة مع اثنين من سمك تحت الشرط الأولي محتوى الرطوبة من 30 ٪ .Fig. 7أظهرت النتائج أن درجة حرارة التربة سطوع 15 سم سمك أعلى من 5 سم سمك في نفس درجة الحرارة ، والتي يمكن أن نستنتج أن ل باند استجابة الميكروويف عمق 30 ٪ من محتوى الرطوبة في التربة الأولية أثناء التجميد هو نفسه و أكبر من 5 سم .Fig. 7تغيير اتجاه مشرق درجة الحرارةFig. 6أساسا مماثلة ، وهذا هو ، قبل التجميد مع انخفاض درجة الحرارة ببطء ، مع تجميد المياه فجأة رفع التجميد بعد التغيير البطيء .
figure

Fig. 7 Comparison between brightness temperature of black soil with the thickness of 5 cm and 15 cm under the same original moisture content of 30% during the freezing process

من الضروري أن نشير إلى أن الطبقة العليا والسفلى من طبقة التربة ، على التوالي ، مع الهواء و لوحة الألومنيوم وسائل الإعلام لنقل الحرارة ، لأن الألومنيوم أكبر معامل الرائدة ، في عملية تجميد أسفل أسرع نسبيا ، الأولي محتوى الرطوبة من 30 ٪ من التربة السطحية مسبار درجة الحرارة قياس درجة الحرارة بالقرب من 0 درجة مئوية ، أسفل المجمدة ، مما أدى إلى انخفاض درجة حرارة المعدن على درجة حرارة أعلى من تأثير درجة الحرارة ، وانخفاض درجة حرارة الضوء ، هذا الاتجاه الهابط في التربة أرق ( 5 سم سميكة ) أكثر وضوحا . مع استمرار تجميد طبقة التربة ، الابتعاثية زيادة سطوع درجة الحرارة زيادة تدريجيا . على النقيض من ذلك ، في التربة مع محتوى الرطوبة الأولية 10 ٪ ، تأثير المعادن على سطوع درجة الحرارةFig. 6وأظهرت النتائج أن محتوى الماء في التربة المجمدة لم تتغير كثيرا ، وبالتالي فإن تأثير الابتعاثية كانت صغيرة .

3-2 تحليل النتائج التجريبية تجميد التربة تحت نفس سمك مختلفة الأولي محتوى الرطوبة

Fig. 8في هذه الورقة ، تغيير محتوى الماء من الماء في التربة مع اثنين من أنواع مختلفة من المحتوى المائي للتربة أثناء التجميد في 15 سم سمك ( على غرار ما ورد أعلاه ، تغيير درجة الحرارة في الخامس الاستقطاب الاستقطاب مشرق مشرق مشرق درجة الحرارة هو مبين في الرسم البياني . من خلال المقارنة بين التجربة والمحاكاة ، سطوع درجة الحرارة البيانات التي تم الحصول عليها من التربة مع ارتفاع محتوى الماء أو التربة مع ارتفاع محتوى الماء من دون تجميد أعلى سطوع درجة الحرارة قيمة ، لأن التربة تحتوي على الألومنيوم مربع يستخدم " الباردة " مصدر في التجربة ، محتوى الماء في التربة يمكن أن الدرع " الباردة " مصدر إشارة من الألومنيوم ، مما يؤدي إلى زيادة الابتعاثية ، ثم سطوع درجة الحرارة قيمة أكبر . ومع ذلك ، عندما تصل إلى درجة حرارة التجميد 10 ٪ من محتوى الماء في التربة ، تغيير محتوى الماء غير المجمد هو أصغر ، سطوع درجة الحرارة تتأثر أساسا درجة الحرارة .
figure

Fig. 8 Comparison between brightness temperature of black soil with the original moisture content of 10% and 30% under the thickness of 15 cm during the freezing process

النتائج التجريبية وتحليل ل الفرقة استجابة عمق الملاحظة بعد تجميد التربة السوداء

4-1 رصد وتحليل استجابة الميكروويف العمق بعد التجميد تحت مختلف محتوى الرطوبة الأولية

قياس وتحليل استجابة عمق التربة الباردة مع 0 ٪ محتوى الرطوبة

التغيرات في درجة الحرارة سطوع التربة الباردة مع 0 ٪ محتوى الرطوبةFig. 9منFig. 9يمكن أن ينظر إليه على أنه اتجاه ح الاستقطاب و الخامس الاستقطاب هو أساسا نفس درجة الحرارة مشرق تغيير الاتجاه . عند سمك التربة حوالي 100 سم ، ح الاستقطاب سطوع درجة الحرارة تصل إلى الحد الأقصى ، ف الاستقطاب سطوع درجة الحرارة لا تزال مرتفعة قليلا ، ح الاستقطاب الخامس الاستقطاب سطوع درجة الحرارة لا تزال هي نفسها تقريبا بعد تراكب إلى 105 سم .
figure

Fig. 9 The process of brightness temperature of cold soil with a moisture content of 0% varies with soil thickness

قياس وتحليل استجابة عمق التربة السوداء المجمدة

التغيرات في درجة الحرارة سطوع التربة الباردة مع 10 ٪ من محتوى الماء الأوليFig. 10منFig. 10يمكن أن ينظر إليه في 10 ٪ محتوى الرطوبة في التربة الأولية زيادة سمك 40 سم ، زيادة درجة حرارة التربة زيادة السطوع والتباطؤ ، 50 سم أو نحو ذلك في كل 1 سم من التربة ، السطوع ودرجة الحرارة التغييرات واللفتنانت ؛ 0.5 ك ، طبقة التربة تصل إلى 60 سم أو نحو ذلك ، السطوع ودرجة الحرارة التغييرات قريبة من 0 ، حتى أن 10 ٪ محتوى الرطوبة في التربة في النطاق L الميكروويف استجابة عمق 50-60 سم .
figure

Fig.10 The brightness temperature variation rate of frozen soil with a 10% moisture content as the soil thickness increases

4-2 التحقيق في النطاق الترددي L عمق استجابة معقدة تجميد التربة الشخصي

بعد محتوى الرطوبة في التربة هو المتطابقة مع بعضها البعض ، يتم إدراج مسبار درجة الحرارة ووضعها في الهواء الطلق ، والإشعاع هو وضع مراقبة المنطقة بعد درجة حرارة التربة استقرت ، طبقة التربة المجمدة هي مكدسة على الحصول على طبقة التربة المتجمدة مع سماكة مختلفة ، والتغيرات في درجة الحرارة سطوع لاحظ .
Fig. 11علامات من مختلف الألوان والأشكال في 5-35 سم سمك 10 ٪ ، 20 ٪ و 30 ٪ من محتوى الرطوبة في التربة الأولية أظهرت سطوع درجة الحرارة . من بينها ، 20 ٪ و 30 ٪ من محتوى الرطوبة في التربة مع زيادة سمك ، من الصعب ضمان التجانس ، في الظروف التجريبية تسمح فقط 5 سم ، 15 سم و 20 سم ( 5 + 15 سم تراكب ) من مجموع 3 حالات . وفي الوقت نفسه ، تم فرضه على طبقة التربة المتجمدة مع 10 ٪ من محتوى الرطوبة الأولية من سمك مختلفة ، على التوالي .
figure

Fig.11 The bright temperature of frozen layer with different thickness and initial moisture content

( 1 ) تجانس رطوبة التربة : من خلال الملاحظةFig. 11من ناحية ، سطوع درجة الحرارة ترتفع مع زيادة سمك طبقة التربة المتجمدة . من ناحية أخرى ، في ظل حالة من نفس سمك ، وارتفاع محتوى الرطوبة في التربة الأولية ، وارتفاع درجة الحرارة والضوء الملاحظات . السبب هو أن هذا البحث يعتمد على طريقة مراقبة اتجاه السماء . ارتفاع محتوى الماء الأولي ، وارتفاع محتوى الماء غير المجمدة . في هذه التجربة ، عندما يكون محتوى الماء في التربة المجمدة منخفضة ، الميكروويف يمكن أن تخترق التربة المتجمدة ، ويمكن الكشف عن درجة حرارة أقل من السماء من خلال التربة المتجمدة ، مما يؤدي إلى انخفاض محتوى الماء في التربة الأولية ، بعد تجميد ، درجة حرارة أقل من سطوع التربة المجمدة مع ارتفاع محتوى الرطوبة الأولية . . . . . . .
( 2 ) رطوبة الطبقة العليا و جفاف الطبقة السفلى ( محتوى الرطوبة في الطبقة العليا 5 سم سمك 20 ٪ و 30 ٪ ، محتوى الرطوبة في الطبقة السفلى 20 سم سمك 10 ٪ ) : من خلال المقارنة بين 25 سم سمك طبقة التربة المتجمدة سطوع درجة الحرارة تحت ظروف مختلفة ، يمكن العثور على أن سطوع درجة حرارة التربة المتجمدة مختلطة تراكب أعلى من 10 ٪ متجانسة محتوى الرطوبة ، والسبب هو أن محتوى الرطوبة العالية من التربة كتلة السماء الإشعاع ، مما يجعل مساهمة من السماء الإشعاع ، وزيادة مساهمة من سطوع درجة حرارة التربة ، وبالتالي زيادة . من النتائج المذكورة أعلاه ، استجابة إشعاع الميكروويف عمق 25 سم و جي تي .
( 3 ) في حالة الطبقة العليا الجافة ، وانخفاض طبقة رطبة ( محتوى الرطوبة في الطبقة العليا 15 سم سمك 10 ٪ من 10 ٪ من 10 ٪ من 10 سم سمك 20 سم سمك 20 ٪ و 30 ٪ من 20 سم سمك طبقة سميكة من 30 ٪ من محتوى الرطوبة الأولي 20 سم سمك طبقة التربة المجمدة مع 10 ٪ من 10 سم من محتوى الرطوبة الأولي 20 سم سمك طبقة التربة المجمدة مع 10 ٪ من 10 سم من محتوى الرطوبة الأولي 30 ٪ من 20 سم سمك طبقة التربة ، بعد كومة من 10 سم تجميد طبقة التربة المجمدة مع 10 سم محتوى الرطوبة الأولية 10 سم من 10 ٪ من 10 سم من 10 سم من محتوى الرطوبة الأولية 30 ٪ من 30 ٪ من محتوى الرطوبة الأولية 30 ٪ من 30 سم سمك 20 سم سمك طبقة التربة ، 10 سم سمك طبقة التربة المجمدة مع 10 سم من 10 سم من 10 سم سمك طبقة التربة المجمدة ، بعد كومة من محتوى الرطوبة الأولية 10 سم من 10 سم ، 10 سم من محتوى الرطوبة الأولية 10 سم من 10 سم من محتوى الرطوبة الأولية 10 سم من 10 سم من 10 سم عمق التربة المجمدة حوالي 50-60 سم ، حتى عمق استجابة التربة المجمدة مع 20 ٪ من المحتوى المائي الأولي هو 35-50 سم .

4-3 المقارنة بين عمق الاستجابة واختراق عمق إشعاع الموجات الدقيقة

في الماضي ، كان هناك الكثير من الوصف عن عمق الاختراق من التربة ، والتي تختلف عن تلك المستخدمة في هذه الدراسة .
في مقدمة式（1）التربة المتجمدة مع 10 ٪ من محتوى الماء الأولي تم حسابها باستخدام تشانغ نموذج ثابت العزل الكهربائي ) .Zhang等，2010محتوى الماء غير المجمد式（3）قيمة أقل من المقابلة عمق الاستجابة ( 50-60 سم ) . السبب هو أن عمق الاختراق هو عمق التربة عند شدة الإشعاع المخفف إلى 1 / ه ، في حين أن عمق استجابة الميكروويف يتوافق مع عمق التربة التي يمكن أن تصل إلى إشارة الميكروويف .式（1）حساب عمق الاختراق .

خاتمة

من أجل حل المشكلة أن عمق استجابة مميزة ل باند إشعاع الموجات الدقيقة تحت ظروف التجميد غير معروف ، في هذه الورقة ، نموذجية من التربة المتجمدة التربة السوداء كما تم اختيار موضوع الدراسة .
( 1 ) في عملية التجميد ، محتوى الرطوبة في التربة هو المهيمن على ضوء التغيرات في درجة الحرارة ، وارتفاع محتوى الرطوبة في نفس سمك ، أصغر عمق الاستجابة ، وارتفاع درجة حرارة الضوء . استجابة عمق 10 ٪ و 30 ٪ رطوبة التربة هو أكبر من 5 سم ، وسمك التربة يمكن أن تؤثر على درجة الحرارة سطوع التغيير .
( 2 ) بعد التجميد الأولي محتوى الماء يؤثر على عمق الاستجابة من خلال التحكم في محتوى الماء غير المجمد - محتوى الماء غير المجمد عكسياً مع سطوع درجة الحرارة . 0 ٪ ، 10 ٪ ، 20 ٪ ، 30 ٪ من محتوى الماء في التربة الأولية استجابة عمق 100-105 سم ، 50-60 سم ، 35-50 سم ، 25-35 سم ، على التوالي .
( 3 ) عمق استجابة التربة المتجمدة إشعاع الميكروويف هو أعلى من ذلك في ظل ظروف معينةUlaby等（1981）النتائج المذكورة أعلاه يمكن أن توفر مرجعا للبحث عن الاستشعار عن بعد والنمذجة الفيزيائية ، وتطوير خوارزمية التحقق من تجميد ذوبان الجليد المنتجات .

References

  1. 1.
    Brakhasi F, Walker J P, Ye N, Wu X L, Shen X J, Yeo I Y, Boopathi N, Kim E, Kerr Y and Jackson T. 2023. Towards soil moisture profile estimation in the root zone using L-and P-band radiometer observations: a coherent modelling approach. Science of Remote Sensing, 7: 100079
  2. 2.
    Jiang Y Y, Wang B, Chen Z M and Wang W G. 2023. Hydrothermal coupling analysis of freezing process of black soil farmland profile based on COMSOL model. Journal of Soil and Water Conservation, 37(6): 187-193
  3. 3.
    Kou X K, Jiang L M, Yan S, Zhao T J, Lu H and Cui H Z. 2017. Detection of land surface freeze-thaw status on the Tibetan Plateau using passive microwave and thermal infrared remote sensing data. Remote Sensing of Environment, 199: 291-301
  4. 4.
    Kou X K, Zhang Y Z, Jin M J, Peng X W and Zhang L. 2020. Verification and analysis of land surface freeze-thaw change by passive microwave remote sensing technique based on multi-layer soil temperature. Geography and Geo-Information Science, 36(3): 49-55
  5. 5.
    Li H, Wan W, Ji R, Li G Y, Chen X N, Zhu S Y, Liu B J, Xu Y, Luo Z L, Wang S L and Cui Y K. 2023. Inspects and prospects of satellite remote sensing monitoring ability for land surface water in China. National Remote Sensing Bulletin, 27(7): 1554-1573
  6. 6.
    Lu J G, Zhang M Y, Zhang X Y and Yan Z R. 2017. Experimental study on the unfrozen water content and the freezing temperature during freezing and thawing processes. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 36(7): 1803-1812
  7. 7.
    Lv S N, Zeng Y J, Su Z B and Wen J. 2019. A closed-form expression of soil temperature sensing depth at L-band. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 57(7): 4889-4897
  8. 8.
    Lv S N, Zeng Y J, Wen J, Zheng D H and Su Z B. 2016. Determination of the optimal mounting depth for calculating effective soil temperature at L-band: Maqu case. Remote Sensing, 8(6): 476
  9. 9.
    Njoku E G, Schieldge J P and Kahle A B. 1980. Joint Microwave and Infrared Studies for Soil Moisture Determination. E81-10064. NTRS.
  10. 10.
    Rautiainen K, Lemmetyinen J, Schwank M, Kontu A, Ménard C B, Mätzler C, Drusch M, Wiesmann A, Ikonen J and Pulliainen J. 2014. Detection of soil freezing from L-band passive microwave observations. Remote Sensing of Environment, 147: 206-218
  11. 11.
    Shen X J, Walker J P, Ye N, Wu X L, Boopathi N, Yeo I Y, Zhang L L and Zhu L J. 2021. Soil moisture retrieval depth of P- and L-band radiometry: predictions and observations. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 59(8): 6814-6822
  12. 12.
    Tong J, Gao Y N, Zhan P F and Song C Q. 2024. Advances in lake ice monitoring methods based on remote sensing technology. National Remote Sensing Bulletin, 28(3): 541-557
  13. 13.
    Ulaby F T, Moore R K and Fung A K. 1981. Microwave Remote Sensing: Active and Passive. Volume 1 - Microwave Remote Sensing Fundamentals and Radiometry. NTRS.
  14. 14.
    Wang D W, Huang C L and Gu J. 2016. Impact of penetration depth on L-band microwave brightness temperature in arid region based on L-MEB model. Remote Sensing Technology and Application, 31(3): 580-589
  15. 15.
    Wang J, Jiang L M, Zhao T J, Cui H Z and Luan Y H. 2024. Modeling of microwave emission from seasonally frozen ground using dense media radiative transfer theory (DMRT). IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 62: 4303112
  16. 16.
    Wilheit T T. 1978. Radiative transfer in a plane stratified dielectric. IEEE Transactions on Geoscience Electronics, 16(2): 138-143
  17. 17.
    Wu S Y, Zhao T J, Pan J M, Xue H Z, Zhao L and Shi J C. 2022. Improvement in modeling soil dielectric properties during freeze-thaw transitions. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 19: 2001005
  18. 18.
    Zhang L X, Zhao T J, Jiang L M and Zhao S J. 2010. Estimate of phase transition water content in freeze–thaw process using microwave radiometer. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 48(12): 4248-4255
  19. 19.
    Zhang M Y, Pei W S, Li S Y, Lu J G and Jin L. 2017. Experimental and numerical analyses of the thermo-mechanical stability of an embankment with shady and sunny slopes in a permafrost region. Applied Thermal Engineering, 127: 1478-1487
  20. 20.
    Zhang T, Jiang L M, Zhao S J, Chai L N, Li Y Q and Pan Y H. 2019. Development of a parameterized model to estimate microwave radiation response depth of frozen soil. Remote Sensing, 11(17): 2028
  21. 21.
    Zhao S J, Zhang T, Jiang L M and Chai L N. 2020. A statistical model for estimating microwave thermal sampling depth of bare soil. National Remote Sensing Bulletin, 24(3): 290-301
  22. 22.
    Zhao T J, Shi J C, Hu T X, Zhao L, Zou D F, Wang T X, Ji D B, Li R and Wang P K. 2017. Estimation of high‐resolution near‐surface freeze/thaw state by the integration of microwave and thermal infrared remote sensing data on the Tibetan Plateau. Earth and Space Science, 4(8): 472-484
  23. 23.
    Zhao T J, Zhang L X, Jiang L M, Zhao S J, Chai L N and Jin R. 2011. A new soil freeze/thaw discriminant algorithm using AMSR‐E passive microwave imagery. Hydrological Processes, 25(11): 1704-1716
  24. 24.
    Zheng D H, Li X, Wang X, Wang Z L, Wen J, van der Velde R, Schwank M and Su Z B. 2019. Sampling depth of L-band radiometer measurements of soil moisture and freeze-thaw dynamics on the Tibetan Plateau. Remote Sensing of Environment, 226: 16-25

قراءة النص الكامل

The above content is generated by Large Model Translation. The translated content is for reference only. We do not assume any commercial or legal responsibilty for any consequences arising from the use of our website