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Étude expérimentale des caractéristiques de la réponse du rayonnement micro-ondes en bande L du sol noir sous conditions de gel

résumé

Dans la détection des paramètres de gel, la bande L possède une plus grande capacité de pénétration et présente un avantage par rapport aux autres bandes micro-ondes. Actuellement, les études approfondies sur la réponse du rayonnement micro-ondes en bande L sont relativement rares, et les caractéristiques de la réponse du rayonnement micro-ondes du sol sous conditions de gel nécessitent une clarification supplémentaire. À cette fin, cette étude porte sur le sol noir dans une zone typique de pergélisol dans le nord-est, avec des expériences sur le terrain en hiver naturel en utilisant un radiomètre micro-ondes double polarisation à fréquence 1,414 GHz sur des sols noirs avec différentes teneurs initiales en eau. Les résultats expérimentaux ont permis d'analyser les variations de la profondeur de réponse du rayonnement micro-ondes du sol noir pendant et après le processus de gel. Les résultats montrent que pendant le gel, la profondeur de réponse micro-ondes en bande L du sol à 10 % et 30 % de teneur en eau est supérieure à 5 cm, et que la teneur en eau du sol joue toujours un rôle principal dans la température apparente. De plus, après le gel, la teneur initiale en eau influence la profondeur de réponse du rayonnement micro-ondes en bande L en affectant la teneur en eau non gelée : pour un sol noir avec une teneur initiale en eau de 0 % (sol froid) et 10 %, la profondeur de réponse après gel est respectivement de 100–105 cm et 50–60 cm ; pour des teneurs initiales de 20 % et 30 %, la profondeur est respectivement de 35–50 cm et 25–35 cm. En outre, cette étude confirme que, sous les mêmes conditions de température et de teneur en eau, la profondeur de réponse du rayonnement micro-ondes du pergélisol est supérieure à la profondeur de pénétration calculée selon le modèle d'Ulaby et al. (1981). En résumé, les conclusions de cette étude ont une valeur de référence importante dans le domaine de l'inversion des paramètres du pergélisol par télédétection.

mots-clés

radiomètre micro-ondes;profondeur de réponse;bande L;pergélisol;sol noir

1 Introduction

Les micro - ondes ont une certaine pénétration et sont sensibles à l'état de gel - dégel du sol (李欢等，2023). Dans le domaine de la télédétection paramétrique par micro - ondes à surface terrestre, la profondeur induite est un concept très important et représente la profondeur du sol à laquelle correspondent les mesures du signal micro - ondes. Les variations de l'humidité du sol ou d'autres paramètres dans une certaine plage de profondeur peuvent affecter le rayonnement émis par les micro - ondes dans une certaine bande. En général, plus la longueur d'onde est longue, plus la profondeur d'induction est profonde. Ainsi, dans la détection paramétrique congelée, la bande L est plus avantageuse que les bandes C, X, K, K _a. Ces dernières années, avec l'exploitation en orbite successive de radiomètres micro - ondes spatiaux en bande L, ses puissantes capacités de pénétration ont attiré l'attention de nombreux chercheurs. Au cours de la période de congélation saisonnière, l'eau dans le sol le plus superficiel se transforme d'abord en glace, sa constante diélectrique diminue soudainement, la profondeur d'induction détectable par micro - ondes s'approfondit, et avec la teneur en eau continue de diminuer dans le sol, on peut espérer utiliser la bande L pour obtenir Des informations sur les paramètres de congélation des sols peu profonds dans les dizaines de centimètres, ce qui peut non seulement soutenir les processus terrestres, l'érosion par le gel et la dégel et d'autres études connexes, mais également fournir une référence à la détection des paramètres de sol en bande P qui intéresse de nombreux scientifiques récents.

Plusieurs termes liés à la profondeur d'induction ont été définis dans des études antérieures, comme la profondeur de pénétration (Ulaby等，1981), profondeur d'échantillonnage thermique (Wilheit，1978), profondeur de détection de l'humidité du sol (Njoku等，1980), profondeur d'inversion de l'humidité du sol (Shen等，2021), et la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes (Zhang等，2019). Où la profondeur de pénétration est définie comme la profondeur de la surface du sol lorsque l'intensité du rayonnement électromagnétique entrant dans le sol par les ondes électromagnétiques diminue à 1 / e de l'intensité initiale, d'où ulaby propose un modèle de profondeur de pénétration pour les micro - ondes actives (Ulaby等，1981):

Où ε ' et ε' représentent respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la constante diélectrique complexe de la couche de loam contenant du sol et de l'eau, un modèle diélectrique du sol gelé associé peut être utilisé (Zhang等，2010;Wu等，2022), faire des calculs.

Cependant, les micro - ondes actives diffèrent des mécanismes de détection des micro - ondes passives, de sorte que le modèle n ` est pas entièrement applicable à la télédétection passive par micro - ondes.Njoku等（1980）La notion de profondeur sensible à la température, exprimée comme la profondeur correspondant à la quantité de rayonnement émise par le sol (1 - 1 / e), est proposée, ce qui est proche du sens de la profondeur d'échantillonnage thermique proposée par wilheit, cette profondeur sensible à la température augmentant avec la longueur d'onde (Wilheit，1978).赵少杰等（2020）Les paramètres qui influent sur la profondeur d'échantillonnage thermique du sol ont été analysés à l'aide d'un modèle théorique, sur la base duquel un modèle statistique d'estimation de la profondeur d'échantillonnage thermique du sol par télédétection passive par micro - ondes a été développé par analyse de régression, avec de meilleurs résultats. Ces dernières années,Lv等（2019）Redéfinir la profondeur sensible à la température comme la profondeur à laquelle la température du sol est égale à la température effective du sol. Dans des études spécifiques, la profondeur de détection de l'humidité du sol est une préoccupation plus importante pour les chercheurs,Njoku等（1980）Il est défini comme la profondeur à laquelle correspond l'émissivité de surface déterminée par l'humidité du sol. La méthode couramment utilisée pour estimer la profondeur d'induction de l'humidité du sol consiste à corréler empiriquement les valeurs observées de la température de luminance avec les mesures moyennes de l'humidité du sol sur différentes épaisseurs de sol. Étant donné que la profondeur d'induction de l'humidité du sol est estimée à partir de modèles, la Déclaration de La profondeur d'induction peut facilement être interprétée à tort comme un indicateur de la capacité de détection de l'instrument d'évaluation,Shen等（2021）Il pourrait être plus précis de proposer de le modifier à la profondeur d'inversion de l'humidité du sol. La profondeur d'inversion de l'humidité du sol est principalement liée à l'humidité du sol et à la fréquence d'observation, et des études ont montré que la profondeur d'induction de la bande L, la plus longue longueur d'onde, est principalement de 2 à 40 cm dans différentes conditions d'humidité du sol.Zheng等，2019;Brakhasi等，2023;王定文等，2016), dans le même temps, il est généralement admis par les chercheurs que la profondeur induite sur le sol a tendance à diminuer à mesure que la teneur en eau du sol augmente (Ulaby等，1981;Wilheit，1978;Njoku等，1980). Les études ci - dessus sur la profondeur d'induction du rayonnement micro - ondes visent principalement le sol non gelé. À l'heure actuelle, il existe relativement peu de recherches sur la profondeur d'induction du sol gelé. Dans les études de surveillance par télédétection des changements de gel et de dégel en surface, les résultats de la détection par télédétection du gel et de la dégel près de la surface sont généralement validés en utilisant la température du sol à une profondeur d'environ 0 à 5 cm à la surface.Zhao等，2011,2017;Kou等，2017;寇晓康等，2020).Rautiainen等（2014）Dans l'étude du sol gelé, en utilisant le modèle de calcul de profondeur de pénétration ulaby mentionné précédemment, la valeur de référence de la constante diélectrique du sol gelé a été fixée à 5 - 0,5 J et la profondeur de pénétration dans la bande L a été calculée à 15,3 cm. Il convient toutefois de noter que la formule de calcul de la profondeur de pénétration s'applique aux micro - ondes actives, dans lesquelles les ondes électromagnétiques sont incidentes dans la couche de sol et les signaux d'écho rediffusés par la couche de sol sont reçus par le capteur, les ondes électromagnétiques ayant subi une double atténuation de la couche de sol; En revanche, les signaux de rayonnement micro - ondes du sol dans la télédétection passive par micro - ondes ne sont reçus par le capteur que par une seule atténuation du sol supérieur, et la profondeur de pénétration à ce moment - là peut très bien sous - estimer la source du signal du sol reçu par le radiomètre. Pour cela,Zhang等（2019）Il a été proposé de caractériser la profondeur d'induction par la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes, en la définissant comme la profondeur du sol à laquelle correspond le signal de rayonnement micro - ondes du sol nu, et en utilisant la méthode expérimentale de contrôle du sol pour modifier l'épaisseur de la couche de sol sur une plaque d'aluminium, la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes a été déterminée, au cours de l'expérience, lorsque le sol a atteint une certaine épaisseur, continuer à augmenter l'épaisseur du sol, si la quantité de variation de la température lumineuse & lt; 1 K, l'épaisseur du sol à ce moment - là est la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes, Malheureusement, seules les bandes C, X, K, K _a ont été appliquées dans l'étude et la bande L n'a pas été prise en compte.

Comme on peut le voir, il existe actuellement relativement peu d'études en profondeur de la réponse au rayonnement micro - ondes pour le sol gelé dans la bande L. La profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes caractérise l'épaisseur de la couche de sol à partir de laquelle le signal reçu par le capteur micro - ondes passif provient, pour le sol non gelé, sa profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes est principalement liée à la teneur en eau, mais pendant et après le gel du sol, la relation entre la taille de la teneur en eau initiale, l'épaisseur de la couche de sol gelé et la température de brillance du rayonnement doit encore être clarifiée. Pour ce faire, cette étude suit (Zhang等，2019Le concept proposé de profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes, basé sur les sols noirs typiques de la région du Nord - Est, est destiné à étudier la loi de variation de la profondeur de la réponse au rayonnement micro - ondes pendant et après le gel par des expériences d'observation quantitatives, afin de fournir une référence scientifique Pour des études telles que la modélisation physique de la télédétection du sol gelé, le développement mathématique et la validation des produits de gel - dégel.

2 Conception expérimentale

2.1 Système de mesure expérimental

L'équipement utilisé pour les expériences d'observation est un radiomètre à micro - ondes bipolaire en bande L avec une fréquence d'observation de 1414 GHz, une largeur de bande de 27 MHz et une sensibilité de 0,2 K. le radiomètre à micro - ondes permet de mesurer des informations valides sur la scène cible en recevant le rayonnement électromagnétique et l'énergie réfléchie provenant de la scène cible elle - même explorée. Généralement, dans des applications pratiques, une température équivalente est utilisée pour mesurer la puissance radiométrique, puis les informations valides sont transmises au côté ordinateur via un récepteur. Vue schématique de l'antenne du radiomètre micro - ondes voirFig. 1Afin de réduire l'impact des variations de température ambiante sur la précision de la sonde, le récepteur de radiomètre est placé dans un incubateur et la température interne du récepteur est stabilisée à 27 ± 1 °C pendant la période expérimentale.

Fig. 1 Schematic diagram of microwave radiometer

2.2 environnement expérimental

Des observations en champ proche ont été sélectionnées expérimentalement (les différences entre champ proche et champ lointain n'ont pas été prises en compte dans cette étude) et sélectionnées expérimentalement dans le parc de l'Institut de géographie et d'agroécologie du Nord - est de l'Académie des sciences de Chine, dans la banlieue de Changchun, dans la province du Jilin, une région avec une période de gel de 5 mois tout au long de l'année. Par pré - expérience, il a été constaté que le jour en raison de diverses activités humaines, l'environnement périphérique est fortement perturbé par le signal de rayonnement micro - ondes, après la nuit quotidienne, le signal est progressivement stabilisé; Afin d'éviter les effets d'autres rayonnements micro - ondes sur l'expérience d'observation, cette expérience a choisi d'effectuer des observations quotidiennes de 2 heures à 7 heures du matin, période pendant laquelle les signaux de rayonnement périphérique ont un effet de moins de 1 K. Cette période de temps ne doit pas non plus tenir compte des effets des variations de température de la couche superficielle de l'échantillon de sol causées par le rayonnement solaire. Au cours de l'expérience, la température ambiante extérieure a été sensiblement stabilisée à - 17 ± 1 ° C, ce qui est extrêmement avantageux pour le déroulement de l'expérience.

2.3 préparation expérimentale des échantillons de sol

Le sol utilisé pour cette expérience a été extrait d'un champ expérimental de maïs au sein de l'Institut de géographie et d'agroécologie du Nord - est de l'Académie des sciences de Chine, qui est un sol noir. Le sol noir est un sol argileux avec de fortes propriétés de dilatation et de perturbation, avec une teneur élevée en matière organique de 3 à 10%. En raison de la nature plus visqueuse du sol, l'eau gelée fondue et les précipitations de la saison des pluies ont du mal à s'infiltrer, formant une couche supérieure du sol stagnante avec une grande rétention d'eau et une faible perméabilité à l'eau. Le sol a un poids volumique de 1,5 g / cm³ et une porosité totale d'environ 50%. Pour cette expérience, on a utilisé 14,58% de viscose de sol, 66,07% de poudre, 19,35% de sable et 2,35% de matière organique.

Afin d'étudier quantitativement les changements dans le processus de congélation du sol noir et ses caractéristiques de réponse au rayonnement micro - ondes après congélation dans différentes situations de taux d'humidité, avant l'expérience, le sol collecté a d'abord été tamisé à l'aide d'un tamis à mailles de 2 mm, après le traitement de séchage, Comparé à 0%, 10%, 20%, 30% total de 3 Taux d'humidité, lors de la distribution d'eau du sol, l'humidité a été pulvérisée sur la surface du sol à l'aide d'une bouilloire, l'eau a été agitée uniformément, puis la pulvérisation d'eau a continué après, répétez cette étape jusqu'à ce que la teneur en eau du sol atteigne la teneur en eau cible, après la préparation de l'essai, différentes positions de l'échantillon de sol ont été mesurées à l'aide d'un tachymètre la cohérence. Il est ensuite mis en service dans des boîtes en aluminium de différentes épaisseurs. Tous les taux de teneur en eau mentionnés dans cet article sont des taux de teneur en eau massique, convertis en taux de teneur en eau volumique dans les calculs du modèle.

2.4 protocole expérimental d'observation des températures brillantes du processus de congélation du sol noir

2.4.1 détermination du champ de vision des observations instrumentales

Avant les expériences d'observation formelles, la détermination du champ d'observation du radiomètre est d'abord effectuée. 4 plaques de fer de 2 m × 4 m ont été posées sur le champ expérimental, la position du radiomètre étant fixée sur la plaque de fer. Étant donné que la différence de température lumineuse entre le corps noir et la plaque de fer est évidente, les principales zones du champ d'observation sont déterminées en transformant la distribution du Corps noir sur la plaque de fer. Lors de la détermination du champ de vision, en utilisant le bloc de corps noir pour avancer dans une certaine proportion vers la zone directe du radiomètre, le corps noir enregistre la température lumineuse 1 fois par avance de 10 cm dans la direction directe du radiomètre, jusqu'à ce que le bloc de corps noir couvre complètement la plaque de fer, et enfin en retirant un morceau de corps noir de la zone directe du radiomètre, enregistrer et traiter les données de température spécifique, observer l'amplitude de la variation de la température lumineuse et calculer le poids occupé par la zone directe. Pour obtenir des résultats de calcul plus précis, les blocs de corps noirs sont prêts à être laissés à l'extérieur pendant plus de 5 h à l'avance avant la pré - expérience, ce qui les rend compatibles avec la température extérieure; Dans le même temps, la forme pendulaire du radiomètre est fixée et l'angle d'observation est fixé à 40° avec un support, en accord avec le satellite SMAP.

Fig. 2Variation de la valeur de la température lumineuse reçue par le radiomètre pour le corps noir au cours de la progression vers la zone d'observation centrale du radiomètre, visible, en l'absence de couverture du Corps noir, lorsque le fond de rayonnement est une plaque de fer, la température lumineuse correspondante est, à ce moment - là, la température lumineuse de polarisation H est de 87 k, la température lumineuse de polarisation V est de 108 K. avec l'augmentation de la distance d'avancement du Corps noir, la valeur de la température lumineuse a également tendance à augmenter, lors de l'avancement à 180 cm, c'est - à - dire lorsque la plaque de fer est entièrement recouverte par le corps noir, la valeur de la température lumineuse mute, ce qui donne la température lumineuse correspondante, à ce moment - là, les valeurs de température lumineuse de polarisation H et de polarisation V sont de 234 K. par la suite, seul le dernier morceau de corps noir est conservé (zone directe du radiomètre, surface de 0,5 m × 0,5 m), le reste du Corps noir est retiré, de sorte que la température lumineuse correspondante est, la température d'éclairement en polarisation H est alors de 220 K et la température d'éclairement en polarisation V de 230 K. on suppose que la contribution à la température d'éclairement de la région d'émission directe du radiomètre, c'est - à - dire de la région dans laquelle est placée la cassette d'aluminium contenant de la terre (surface de 0,5 m x 0,5 m), est r ( r en pourcentage, 0% & lt; r & lt; / I >); 100%), on obtient l'équation suivante:

Les valeurs de température lumineuse de polarisation H et de polarisation V sont respectivement introduites dans l'équation et les valeurs de r trouvées sont de 90,5% et 96,8%. On peut donc en déduire que la zone de 0,5 m × 0,5 m de l'émission directe du radiomètre est le champ d'observation principal et, après des essais répétés, on a constaté que les interférences de l'environnement périphérique avec la température de luminosité du champ d'observation principal étaient presque cohérentes, de sorte que cette expérience a classé L'impact du rayonnement de l'environnement périphérique comme erreur systématique et a ignoré son effet sur la tendance à la variation de la température de luminosité.

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 conception du Programme d'observation du processus de congélation

Préparer des boîtes de fer contenant de la terre de 5 et 15 cm de profondeur, respectivement, selon une taille de 0,5 m x 0,5 m; Deux échantillons de terre préparés, contenant 10% et 30% d'eau en poids, sont placés dans une boîte en fer pour des expériences comparatives. Formes d'observation du processus de congélation telles queFig. 3Montré. Au moment de l'observation, l'antenne est maintenue à une distance constante de 4,5 cm de la surface du sol en ajustant la hauteur de l'instrument. Des sondes de température ont été enterrées dans le sol (0 - 5, 5 - 10, 10 - 15 cm) au cours de l'expérience pour observer les changements de température pendant le gel du sol.

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

2.5 conception du Programme d'observation de la profondeur de la réponse après le gel du sol

2.5.1 conception expérimentale des observations de la couche de sol gelé

Dans les études antérieures sur la profondeur d'induction du rayonnement micro - ondes dans le sol gelé, il a été réalisé principalement par le biais d'observations descendantes par radiomètre micro - ondes, ce qui rend difficile, d'une part, d'éviter l'interférence du sous - sol et, d'autre part, de détecter les limites de profondeur d'induction. Pour ce faire, cette étude tente de mener des expériences de quantification spécifiques orientées vers le ciel pour détecter la profondeur de la réponse au rayonnement micro - ondes du sol gelé, telles queFig. 4Montré. Avant l'expérience, le sol avec une teneur initiale en eau de 0%, 10%, 20% et 30% est d'abord configuré pour être placé en réserve extérieure à l'avance. Au cours de l'expérience, le sol (dont les dimensions sont de 60 × 50 × 25 cm) est ensemencé à l'aide d'une boîte à mousse (matériau perméable à l'isolation thermique), le fond de la boîte à mousse est à 4,5 cm de distance du radiomètre, la boîte à mousse est superposée lorsque la profondeur de réponse est supérieure à la hauteur de la boîte à mousse, le radiomètre en bande L est disposé verticalement, le radiomètre est orienté vers le haut, le support de la boîte à mousse est utilisé à l'aide d'un support (formeFig. 4). Par une forme de superposition de la couche de sol gelé vers le haut, les valeurs de température brillante sont enregistrées successivement avec l'épaisseur de la couche de sol gelé.

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

Il est important de noter que les sols avec une teneur initiale en eau de 20% et 30%, en raison d'une teneur en eau plus élevée, la formation de plaques se produit à des températures négatives, telles queFig. 5Comme montré, au cours de la superposition couche par couche vers le haut, les couches sont extrêmement sensibles à l'humidité et à la congélation des situations inégales, ce qui rend difficile la réalisation d'observations quantifiées précises, en réponse à cela, l'étude a pris la forme d'un contraste de superposition de différentes couches de pergélisol à teneur en eau, la détermination indirecte de leur profondeur de réponse, tout en explorant la profondeur de la réponse en bande L de la couche de pergélisol complexe hétérogène (différentes couches ont des taux d'humidité incohérents).

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

2.5.2 calcul de la teneur en eau non gelée de la couche de sol gelé

L'humidité du sol a une forte absorption des signaux micro - ondes. Lorsque le gel se produit dans le sol, une partie de l'eau liquide, c'est - à - dire de l'eau non gelée, reste toujours dans le sol gelé. Il existe des études montrant une corrélation positive entre la teneur initiale en eau et la teneur en eau non gelée dans des conditions de température équivalentes (路建国等，2017). Cet article calcule la teneur en eau non gelée par une formule empirique (Zhang等，2017). La formule de calcul spécifique est la suivante:

Dans la formule,De l'eau non gelée;Est la teneur initiale en eau;Température de congélation du sol,Constante, ω est le paramètre d'ajustement. Le paramètre d'ajustement ω est fixé à 0178 et la température de congélation du sol dépend de l'échantillon de sol et de l'environnement expérimental.Soit - 0,69 ℃ (蒋瑶钰等，2023), la température ambiante prend la moyenne de la température au début de l'expérience par rapport à la température à la fin de l'expérience.

3 processus de congélation du sol noir Réponse en bande L observations de profondeur résultats expérimentaux et analyse

Télédétection passive par micro - ondes, utilisation de valeurs de température lumineuse pour mesurer les propriétés des terres (童洁等，2024), est connue par la définition de la température lumineuse, qui est le produit de l'émissivité et de la température:

Dans la formule,Pour la température lumineuse; p représente la polarisation V ou la polarisation H; e est l'émissivité; T est la température effective, paramètre utilisé pour décrire la capacité radiative de la couche de sol, directement proportionnelle à la température thermodynamique (Lv等，2016).

Dans l'expérience d'observation du processus de congélation, le radiomètre à micro - ondes observe vers le bas, la température de l'échantillon de sol est supérieure à 0 ℃, il y a une plaque de fer posée et une cassette d'aluminium contenant de la terre sur le sol, tandis que la température de la plaque de fer et de la cassette d'aluminium contenant de la terre est comparable à la température ambiante périphérique, essentiellement stable à - 17 ℃, la faible émissivité de la plaque d'aluminium en fait un matériau de fond idéal, en outre, il peut masquer les signaux En supposant que les propriétés du sol sont uniformes avec la profondeur, la réflectivité de la plaque d'aluminium est de 1, l'albédo de diffusion unique est suffisamment faible pour ignorer la diffusion diffuse (Zhang等，2019). Placer la surface de contact de l'air avec la couche superficielle du sol à la frontière 1 et la surface de contact du sol avec la plaque d'aluminium à la frontière 2, en tenant compte de la pénétration des micro - ondes dans le sol et de l'influence de la réflexion de l'aluminium et du rayonnement périphérique, la température lumineuse observée du radiomètre peut être exprimée par la formule suivante (Zhang等，2019):

Dans la formule,Rayonnement vers le haut pour le sol,Pour la partie du sol où le rayonnement descendant est réfléchi et finalement absorbé par le sol; θ représente l'angle d'incidence; p représente le mode de polarisation.

式（5）Au milieuetPeut être réalisée par式（6）Calcul:

Où Γ est la réflectivité de la frontière 1 et de la frontière 2, en supposant que l'albédo de diffusion unique est suffisamment faible pour ignorer la diffusion diffuse (Wang等，2024). En utilisant la loi de Fresnel, on peut calculer la réflectivité à la frontière 1, la réflectivité de la feuille d'aluminium à la frontière 2 étant fixée à 1. Sur la base des bases théoriques ci - dessus, les résultats expérimentaux sont analysés ci - dessous.

3.1 analyse des résultats expérimentaux du processus de congélation du sol à différentes épaisseurs pour la même teneur initiale en eau

Fig. 6La température brillante de deux épaisseurs de sol pendant le gel ainsi que la variation de la teneur en eau non gelée sont montrées avec une teneur initiale en eau de 10% (la figure montre une variation de la température brillante polarisée en V, avec laquelle la tendance à la variation de la température brillante polarisée en H est cohérente). parFig. 6La présentation des résultats permet de constater que la température de brillance du sol de 15 cm d'épaisseur est supérieure à la température de brillance de 5 cm d'épaisseur à la teneur initiale en eau et à la température équivalentes, combinées à式（4）La raison de l'analyse est que la température du sol diffère de la température ambiante (- 17 ° c), la température du sol est beaucoup plus élevée que la température de la boîte en aluminium et la température ambiante, de sorte que plus la couche de sol est épaisse, plus le rayonnement de la couche de sol, plus la température lumineuse devrait également être élevée. On peut en déduire que la profondeur de réponse aux micro - ondes dans la bande L du sol, avec une teneur initiale en eau de 10% pendant le gel, était & gt; 5 cm.

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

Avant que le sol atteigne la température de congélation (les calculs de simulation fixent la température de congélation du sol à - 0,69 ° c), la température brillante du sol est principalement affectée par la température, qui diminue également avec la température; Lorsque le sol atteint la température de congélation, la teneur en eau non gelée diminue soudainement et l'émissivité du sol augmente, entraînant une augmentation de la température lumineuse; La teneur en eau non gelée a diminué à mesure que la température diminuait encore, mais l'ampleur de la baisse n'était pas significative en raison de la faible teneur initiale en eau du sol (seulement 10%), lorsque les températures brillantes étaient principalement influencées par les températures extérieures et présentaient une tendance à la baisse lente. Les mesures expérimentales ci - dessus sont en grande partie conformes à la tendance à la variation des résultats simulés.

Variation de la température de brillance des sols de deux épaisseurs à une teneur initiale en eau de 30% commeFig. 7Comme on l'a montré, à température égale, la température de brillance du sol sur une épaisseur de 15 cm est supérieure à la température de brillance sur une épaisseur de 5 cm, ce qui permet d'en déduire que la profondeur de réponse aux micro - ondes en bande L du sol avec une teneur initiale en eau de 30% pendant le gel est également & gt; 5 cm.Fig. 7Tendance de changement de température lumineuse dans tout le processus de congélation avecFig. 6Fondamentalement similaire, c'est - à - dire que la température descend lentement avant le gel, augmente soudainement avec le gel de l'eau au gel et change lentement après le gel.

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

Il est à noter que la couche supérieure et la couche inférieure de la couche de sol sont conductrices de chaleur avec l'air et la plaque d'aluminium comme support, respectivement, le fond gèle relativement rapidement au cours de l'expérience en raison du coefficient de conduction plus élevé de l'aluminium, les données de température mesurées par la sonde de température de la couche superficielle du sol avec une teneur initiale en eau de 30% à près de 0 ° C, le fond a gelé, ce qui entraîne une augmentation de l'effet du métal à plus basse température sur la température vive, la température vive baisse, cette tendance à la baisse est plus prononcée lorsque la couche de sol est mince (5 cm d'épaisseur); Comme la couche de sol continue à geler, l'émissivité augmente et la température lumineuse augmente progressivement. En revanche, pour un sol dont la teneur initiale en eau est de 10%, l'effet du métal sur la température de brillance au cours du gel ne varie pas beaucoup, en outreFig. 6On sait que sa teneur en eau non gelée varie également peu, de sorte que l'effet de l'émissivité est faible et que la température lumineuse montre également une certaine tendance à la baisse avec la diminution de la température du sol.

3.2 analyse des résultats expérimentaux du processus de congélation du sol à différentes teneurs initiales en eau, même épaisseur

Fig. 8La variation de la teneur en eau de l'eau non gelée de la température brillante pendant le gel est illustrée pour deux sols à teneur en eau dans le cas d'une épaisseur de 15 cm (similaire au précédent, la figure montre une variation de la température brillante polarisée en V, avec laquelle la tendance à la variation de la température brillante polarisée en H coïncide). En comparant les expériences et les simulations pour obtenir des données de température vive, on peut constater que les valeurs de température vive sont plus élevées pour les sols à haute teneur en eau ou les sols à teneur élevée en eau non gelée, ce qui est dû au fait que la cassette d'aluminium contenant du sol sert de « source froide» dans l'expérience, l'humidité du sol bloque le signal de « source froide» de l'aluminium, ce qui entraîne une augmentation de l'émissivité et, à son tour, une valeur de température vive plus élevée, et que le sol à teneur initiale en eau de 30% après avoir atteint la température de congélation, sa teneur en eau non gelée diminue plus fortement et l'amplitude de l'augmentation de la température vive est également plus prononcée, ce qui Alors que 10% de la teneur en eau du sol atteint la température de congélation, la teneur en eau non gelée varie moins, sa température brillante est principalement affectée par la température.

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

4 résultats expérimentaux et analyse de l'observation de la profondeur de la réponse en bande L après congélation du sol noir

4.1 observations et analyse de la profondeur de la réponse aux micro - ondes après congélation à différentes teneurs initiales en eau

4.1.1 résultats des mesures et analyses de la profondeur de réponse des sols froids contenant 0% d'eau

La température brillante du sol froid avec le taux d'eau de 0% varie avec l'épaisseur du sol commeFig. 9Montré, à partir deFig. 9On peut voir que la tendance à la variation de la température lumineuse de la polarisation H et de la polarisation V est largement cohérente, la direction de la polarisation H pouvant être influencée par les maisons environnantes étant élevée en raison de l'utilisation d'observations de l'espace. Dans le processus d'augmentation de l'épaisseur du sol froid, l'amplitude de la variation de la température lumineuse ralentit progressivement, lorsque l'épaisseur du sol atteint environ 100 cm, la température lumineuse polarisée H atteint son maximum, la température lumineuse polarisée V a encore une légère augmentation, après la superposition à 105 cm, la température lumineuse polarisée H et V est essentiellement inchangée, de sorte que la profondeur de réponse micro - ondes de la bande L au sol froid est de 100 à 105 cm.

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

4.1.2 résultats des mesures de profondeur et analyse de la réponse du sol noir gelé avec une teneur initiale en eau de 10%

Taux de variation de la température lumineuse du sol froid (augmentation de la température lumineuse / augmentation de l'épaisseur du sol) pour une teneur initiale en eau de 10% avec l'épaisseur du solFig. 10Montré, à partir deFig. 10On peut voir que l'épaisseur initiale du sol à 10% d'humidité augmente à 40 cm lorsque l'amplitude de l'augmentation du taux de variation de la température lumineuse ralentit progressivement, augmente à environ 50 cm pour chaque 1 cm de sol supplémentaire, la variation de la température lumineuse & lt; 0,5 K, la couche de sol atteint environ 60 cm lorsque le taux de variation de la température lumineuse est proche de 0, de sorte que la profondeur de réponse aux micro - ondes du sol à 10% d'humidité dans la bande L est supposée être de 50 à 60 cm. Il convient de noter que la température du sol est stable à - 3 - 4 ° c tout au long de l'expérience, la variation de la teneur en eau non gelée pendant la superposition de la couche de sol peut être largement ignorée, la moyenne de l'intervalle de température utilisée pour calculer la teneur en eau non gelé

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

4.2 enquête en profondeur de la réponse en bande L sous un profil complexe de gel du sol

Après avoir bien ajusté la teneur en eau du sol, insérez une sonde de température et reposez - vous à l'extérieur, placez la zone d'observation du radiomètre, après la stabilisation de la température du sol, commencez à superposer la couche de sol gelé pour obtenir une couche de sol gelé d'épaisseur différente, observez sa variation de température brillante.

Fig. 11Les marques de différentes couleurs et formes montrent des variations de température lumineuse de 10%, 20% et 30% de la teneur initiale en eau du sol à une épaisseur de 5 à 35 cm. Parmi ceux - ci, les sols à 20% et 30% d'humidité augmentent avec l'épaisseur et il est difficile de garantir l'homogénéité, seuls 5 cm, 15 cm et 20 cm (superposition de 5 + 15 cm) ont été observés séparément lorsque les conditions expérimentales le permettaient, pour un total de 3 cas. Dans le même temps, ils ont été superposés séparément avec des couches de sol gelé de différentes épaisseurs ayant une teneur initiale en eau de 10% pour une analyse comparative complète.

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

(1) pour l'homogénéité de la teneur en eau du sol: par observationFig. 11On peut constater, d'une part, que la température de brillance augmente avec l'épaisseur de la couche de sol gelé; D'autre part, dans des conditions d'épaisseur égale, plus les observations de brillance du sol avec une teneur initiale en eau plus élevée sont importantes. La raison en est que cette étude utilise la manière dont l'orientation du ciel est observée. Plus la teneur initiale en eau est élevée, plus sa teneur en eau non gelée est élevée. Dans cette expérience, lorsque la teneur en eau non gelée est faible, la pénétration des micro - ondes dans le sol gelé est meilleure et peut être détectée à travers le sol gelé dans le ciel avec une température plus basse au - dessus, ce qui conduit à un sol avec une faible teneur en eau initiale, après le gel, sa température lumineuse est inférieure à celle du sol gelé avec une teneur en eau initiale élevée.

(2) pour une couche supérieure plus humide et une couche inférieure plus sèche (la couche supérieure de 5 cm d'épaisseur a une teneur en eau de 20% et 30% et la couche inférieure de 20 cm d'épaisseur a une teneur en eau de 10%): en comparant la température de brillance de la couche de sol gelé de 25 cm d'épaisseur dans différents cas, la température de brillance de la couche de sol gelé mixte superposée est supérieure à la température de brillance de la couche de sol gelé dans le cas d'une teneur en eau homogène de 10%, ce qui est dû au fait que le sol à forte teneur en eau bloque Le rayonnement du ciel, de sorte que la contribution du rayonnement du ciel diminue, la contribution du sol augmente et la température de brillance augmente. D'après les résultats, la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes dans les deux combinaisons ci - dessus était & gt; 25 cm.

(3) pour une couche supérieure plus sèche et une couche inférieure plus humide (couche supérieure de 15 cm d'épaisseur contenant 10% d'eau et couche inférieure de 20 cm d'épaisseur contenant 20% et 30%): après la superposition d'une couche de sol gelé de 15 cm d'épaisseur contenant 10% d'eau initiale sur une couche de sol de 20 cm d'épaisseur contenant 30% d'eau initiale, la température lumineuse a légèrement augmenté par rapport à avant la superposition, mais elle n'a pas beaucoup changé, de sorte que la profondeur de réponse du sol gelé avec une teneur en eau initiale de 30% devrait être de 25 à 35 cm Après le gel; par comparaison, une couche de sol gelé de 20 cm avec une teneur en eau initiale de 20% après la superposition d'une couche de sol gelé de 15 cm d'épaisseur contenant 10% d'eau initiale par rapport à avant la superposition, il y avait encore une augmentation significative de la température lumineuse, et étant donné que la profondeur de réponse aux micro - ondes d'un sol à 10% d'humidité dans la bande L était d'environ 50 à 60 cm, on a déduit qu'un sol à 20% d'humidité initiale avait une profondeur de réponse de 35 à 50 cm après le gel.

4.3 comparaison de la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes et de la profondeur de pénétration

Dans les études précédentes sur la pénétration des micro - ondes, la profondeur de pénétration du sol a été plus décrite, ce qui diffère de la profondeur de réponse utilisée dans cette étude.

Utiliser l'introduction précédente式（1）Le calcul a été effectué sur un sol gelé ayant une teneur initiale en eau de 10% et dont la constante diélectrique a été calculée selon le modèle de Zhang (Zhang等，2010), teneur en eau non gelée avant utilisation式（3）La profondeur de pénétration est de 45,6 cm, ce qui est inférieur à la profondeur de réponse correspondante (50 - 60 cm). La raison en est que la profondeur de pénétration est la profondeur du sol où l'intensité du rayonnement a été atténuée à l'original 1 / E, tandis que la profondeur de réponse aux micro - ondes correspond à la profondeur du sol que le signal micro - ondes peut atteindre, de sorte que, lors de la surveillance du sol gelé avec la télédétection passive par micro - ondes, la profondeur de réponse est plus grande que précédemment selon式（1）Calculez la profondeur de pénétration obtenue.

5 Conclusion

En réponse au problème des caractéristiques inconnues de la profondeur de la réponse au rayonnement micro - ondes en bande L dans des conditions de congélation, la présente étude a examiné le processus de congélation et les caractéristiques de la réponse au rayonnement micro - ondes en bande L après congélation à l'aide d'expériences d'observation de la terre et de L'air sur des sols gelés typiques.

(1) pendant le processus de congélation, la teneur en eau du sol domine le changement de température brillante, plus la teneur en eau est élevée à la même épaisseur, plus la profondeur de réponse est faible et la température brillante est élevée; Les sols à 10% et à 30% d’humidité répondent à des profondeurs & gt; 5 cm et l’épaisseur du sol influe sur les variations de la température de brillance.

(2) après le gel, la teneur initiale en eau affecte la profondeur de réponse par la régulation de la teneur en eau non gelée, la teneur en eau non gelée est inversement corrélée à la température vive, et plus la teneur initiale en eau est élevée, plus la teneur en eau non gelée diminue et la température vive augmente de manière significative; Les sols à 0%, 10%, 20% et 30% d'humidité initiale ont répondu à des profondeurs de 100 à 105 cm, 50 à 60 cm, 35 à 50 cm et 25 à 35 cm, respectivement.

(3) la profondeur de réponse au rayonnement micro - ondes du sol gelé est supérieure à certaines conditionsUlaby等（1981）La profondeur de pénétration calculée par le modèle, les conclusions de l'étude ci - dessus peuvent servir de référence pour la modélisation physique de la télédétection du sol gelé, le développement d'algorithmes et la validation de produits de gel - dégel.

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