Спектры электромагнитных характеристик образцов воды из природных водоисточников в широком диапазоне частот
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Мониторинг окружающей среды радиофизическими методами
1.1 Основные задачи 8
1.2 Удельная электропроводимость воды термокарстовых озер 9
1.3 Традиционные методы исследования электропроводимости воды 10
1.4 Радиофизические методы исследования окружающей среды 10
1.5 Дешифрование результатов дистанционного зондирования 12
1.6 Постановка задачи на исследование 12
2 Анализ моделей спектров комплексно диэлектрической проницаемости водных
объектов, содержащих проводящие примеси 14
2.1 Описание современных моделей спектров электрофизических характеристик водной
среды с проводящими включениями 15
2.2 Расчет удельной электропроводимости воды с различным содержанием солей в
интервале температур 24
2.3 Расчет спектров диэлектрической проницаемости воды с различным содержанием
солей в интервале температур 24
3 Описание образцов исследуемой воды
3.1 Образцы из Ямало-Ненецкого автономного округа 26
3.2 Образцы, полученные моделированием 26
4 Методика проведения измерений
4.1 Кондуктометрический метод 28
4.2 Кондуктометр «HI 8733» 28
4.3 Микроволновая установка для исследования электрофизических характеристик
воды 31
4.4 Удельная проводимость природных водных объектов Томской области при
различных температурах 34
4.5 Спектры комплексной диэлектрической проницаемости природных водных
объектов Томской области при различных температурах 35
4.6 Расчет коэффициента отражения от поверхности водных объектов Томской области
при различных температурах 37
4.7 Расчет коэффициента отражения от поверхности водных объектов при различных
температурах 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 46
1 Мониторинг окружающей среды радиофизическими методами
1.1 Основные задачи 8
1.2 Удельная электропроводимость воды термокарстовых озер 9
1.3 Традиционные методы исследования электропроводимости воды 10
1.4 Радиофизические методы исследования окружающей среды 10
1.5 Дешифрование результатов дистанционного зондирования 12
1.6 Постановка задачи на исследование 12
2 Анализ моделей спектров комплексно диэлектрической проницаемости водных
объектов, содержащих проводящие примеси 14
2.1 Описание современных моделей спектров электрофизических характеристик водной
среды с проводящими включениями 15
2.2 Расчет удельной электропроводимости воды с различным содержанием солей в
интервале температур 24
2.3 Расчет спектров диэлектрической проницаемости воды с различным содержанием
солей в интервале температур 24
3 Описание образцов исследуемой воды
3.1 Образцы из Ямало-Ненецкого автономного округа 26
3.2 Образцы, полученные моделированием 26
4 Методика проведения измерений
4.1 Кондуктометрический метод 28
4.2 Кондуктометр «HI 8733» 28
4.3 Микроволновая установка для исследования электрофизических характеристик
воды 31
4.4 Удельная проводимость природных водных объектов Томской области при
различных температурах 34
4.5 Спектры комплексной диэлектрической проницаемости природных водных
объектов Томской области при различных температурах 35
4.6 Расчет коэффициента отражения от поверхности водных объектов Томской области
при различных температурах 37
4.7 Расчет коэффициента отражения от поверхности водных объектов при различных
температурах 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 46
В настоящее время глобальное изменение климата стало предметом исследования не только для специалистов естественнонаучного направления, но привлекло внимание экономистов и политиков, поскольку это одна из наиболее острых проблем развития современной цивилизации и важнейший элемент новой реальности, к которой все человечество вынуждено приспосабливать свою хозяйственную деятельность. Влияние изменения климата на мировую экономику представляет собой масштабную природную опасность и определяет характер и направленность хозяйственной деятельности отдельных стран и всего сообщества в целом [1]. Таким образом, контроль глобальных изменений климата является актуальной задачей.
Этот контроль в настоящее время проводится мониторингом по ряду наиболее существенных индикаторов таких, как: среднегодовая температура планеты [2], уровень мирового океана [3], размер ледников Гренландии, Арктики и Антарктики, состояние и видовой состав растительности, циркуляция вод Мирового океана, [4] уровень залегания вечномерзлотного слоя [5] и др. Относительно недавно стали контролировать состояние вечно мерзлотного слоя по электропроводимости воды. Показано, что электропроводность воды, которая образовалась при таянии вечной мерзлоты (термокарстовые озера), отличается от атмосферных осадков [6-8].
Радиофизический способ мониторинга электропроводимости - дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) в микроволновом диапазоне позволяет получать информацию со значительно больших площадей, чем традиционные методы мониторинга непосредственным измерением электропроводности кондуктометрами или забором проб для лабораторных исследований, что повышает достоверность выводов о наличии изменений в глобальном масштабе и тенденцию этих изменений.
В настоящее время ДЗЗ востребован также при внедрении современных технологий в сельском хозяйства - «Цифровое земледелие» [9], которое является новым направлением в более общей технологии «Цифровое сельское хозяйство» [10, 11].
Дешифрование результатов ДЗЗ невозможно без тестовых участков земной поверхности с известными электромагнитными характеристиками с учетом времени зондирования (день, ночь), конкретной метеорологической обстановки (температура, влажность), изменением структуры (пахота, рыхление, осушение и др.), изменением состояния растительности, качественных и количественных изменений. Эти сведения можно получить полевыми и лабораторными методами, а также прогнозированием возможных изменений на основе надежных математических моделей, в частности, связывающих удельную электропроводность с коэффициентом отражения электромагнитного сигнала при ДЗЗ. Литературный обзор показал, в настоящее время накоплен достаточно большой объем материала по исследованию удельной электропроводимости водных объектов на постоянном токе и на низкой частоте, но недостаточно сведений о сверхвысокочастотных параметрах этих же объектов, которые измеряются методами ДЗЗ.
Измерение микроволновых свойств воды тестового участка и получение аналитических выражений, связывающих величины низкочастотной электропроводимости со спектром комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) являются основными задачами данного научного исследования.
Объект исследования - электромагнитные характеристики полярных жидкостей в широком диапазоне частот
Предметом математического моделирования связи удельной электропроводности воды с величинами комплексной диэлектрической проницаемости на СВЧ являются соотношения на основе теории Дебая. Предметами экспериментального исследования являются образцы воды с проводящими примесями, изъятые из рек и ручьев Томской области, Ямало-Ненецкого округа, из Балтийского и Черного морей.
Цель работы - исследование связи удельной электропроводимости, спектров комплексных значений диэлектрической проницаемости воды на СВЧ и электромагнитного отклика от водных объектов, при изменении концентрации проводящих примесей в климатическом интервале температур.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
а) провести литературный обзор по: 1) методам мониторинга процессов глобального изменения климата; 2) методам расчета спектров КДП в температурном интервале для различной концентрации проводящих примесей;
б) собрать и проанализировать соотношения, позволяющие рассчитывать спектры КДП в интервале температур для разных концентраций проводящих примесей в интервале температур;
в) провести численное моделирование связи удельной электропроводности воды с величинами КДП воды при различных концентрациях проводящих примесей, в интервале температур 0 - 30 град, в диапазоне частот 100 - 1000 МГц;
г) освоить методики измерения электропроводимости воды кондуктометрическим методом на низких частотах и волноводным методом на СВЧ;
д) провести измерения удельной электропроводности, микроволновых спектров КДП;
е) рассчитать коэффициентом отражения от водной поверхности в диапазоне частот 100 - 1000 МГц, в интервале температур 0 - 30 град и для разных концентраций проводящих примесей (от дистиллированной до морской воды);
ж) проанализировать результаты численного моделирования и экспериментального исследования.
Этот контроль в настоящее время проводится мониторингом по ряду наиболее существенных индикаторов таких, как: среднегодовая температура планеты [2], уровень мирового океана [3], размер ледников Гренландии, Арктики и Антарктики, состояние и видовой состав растительности, циркуляция вод Мирового океана, [4] уровень залегания вечномерзлотного слоя [5] и др. Относительно недавно стали контролировать состояние вечно мерзлотного слоя по электропроводимости воды. Показано, что электропроводность воды, которая образовалась при таянии вечной мерзлоты (термокарстовые озера), отличается от атмосферных осадков [6-8].
Радиофизический способ мониторинга электропроводимости - дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) в микроволновом диапазоне позволяет получать информацию со значительно больших площадей, чем традиционные методы мониторинга непосредственным измерением электропроводности кондуктометрами или забором проб для лабораторных исследований, что повышает достоверность выводов о наличии изменений в глобальном масштабе и тенденцию этих изменений.
В настоящее время ДЗЗ востребован также при внедрении современных технологий в сельском хозяйства - «Цифровое земледелие» [9], которое является новым направлением в более общей технологии «Цифровое сельское хозяйство» [10, 11].
Дешифрование результатов ДЗЗ невозможно без тестовых участков земной поверхности с известными электромагнитными характеристиками с учетом времени зондирования (день, ночь), конкретной метеорологической обстановки (температура, влажность), изменением структуры (пахота, рыхление, осушение и др.), изменением состояния растительности, качественных и количественных изменений. Эти сведения можно получить полевыми и лабораторными методами, а также прогнозированием возможных изменений на основе надежных математических моделей, в частности, связывающих удельную электропроводность с коэффициентом отражения электромагнитного сигнала при ДЗЗ. Литературный обзор показал, в настоящее время накоплен достаточно большой объем материала по исследованию удельной электропроводимости водных объектов на постоянном токе и на низкой частоте, но недостаточно сведений о сверхвысокочастотных параметрах этих же объектов, которые измеряются методами ДЗЗ.
Измерение микроволновых свойств воды тестового участка и получение аналитических выражений, связывающих величины низкочастотной электропроводимости со спектром комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) являются основными задачами данного научного исследования.
Объект исследования - электромагнитные характеристики полярных жидкостей в широком диапазоне частот
Предметом математического моделирования связи удельной электропроводности воды с величинами комплексной диэлектрической проницаемости на СВЧ являются соотношения на основе теории Дебая. Предметами экспериментального исследования являются образцы воды с проводящими примесями, изъятые из рек и ручьев Томской области, Ямало-Ненецкого округа, из Балтийского и Черного морей.
Цель работы - исследование связи удельной электропроводимости, спектров комплексных значений диэлектрической проницаемости воды на СВЧ и электромагнитного отклика от водных объектов, при изменении концентрации проводящих примесей в климатическом интервале температур.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
а) провести литературный обзор по: 1) методам мониторинга процессов глобального изменения климата; 2) методам расчета спектров КДП в температурном интервале для различной концентрации проводящих примесей;
б) собрать и проанализировать соотношения, позволяющие рассчитывать спектры КДП в интервале температур для разных концентраций проводящих примесей в интервале температур;
в) провести численное моделирование связи удельной электропроводности воды с величинами КДП воды при различных концентрациях проводящих примесей, в интервале температур 0 - 30 град, в диапазоне частот 100 - 1000 МГц;
г) освоить методики измерения электропроводимости воды кондуктометрическим методом на низких частотах и волноводным методом на СВЧ;
д) провести измерения удельной электропроводности, микроволновых спектров КДП;
е) рассчитать коэффициентом отражения от водной поверхности в диапазоне частот 100 - 1000 МГц, в интервале температур 0 - 30 град и для разных концентраций проводящих примесей (от дистиллированной до морской воды);
ж) проанализировать результаты численного моделирования и экспериментального исследования.
В результате выполнения работы:
1) Собраны и проанализированы формулы, описывающие зависимость спектров комплексной диэлектрической проницаемости воды от содержания проводящих примесей (солености) и изменения температуры. Показано, что некоторые модели диэлектрической проницаемости дают отличающиеся значения. Для выбора адекватной модели в каждом частном случае требуется экспериментальная проверка.
2) Проведено математическое моделирование спектров воды с различной концентрацией проводящих примесей (S = 0-35%о), в интервале температур 0-35 градусов, в частотном диапазоне 100 - 1000 МГц. Выделены участки частот, где наблюдаются наибольшие изменения величин КДП.
3) Проведены измерения удельной электропроводности дистиллированной воды, образцов термокарстовых озер и морской воды в зависимости от температуры. Показано, что УЭП термокарстовых озер заметно больше, чем у атмосферных осадков.
4) Проведены измерения КДП в диапазоне частот 250- 1000 МГц волноводным методом. Показано, что наибольшие изменения комплексной ДП наблюдаются в низкочастотном участке.
5) По величинам КДП, полученным в результате моделирования, рассчитаны коэффициенты отражения от полубесконечного слоя водных объектов с различной соленостью, температуры.
6) Анализ полученных результатов показал, что изменения коэффициента отражения не достаточны для уверенного различия УЭП воды, но дистанционные методы можно использовать, измеряя мнимую составляющую ДП с помощью беспилотных летательных аппаратов.
Результаты, полученные в ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы, апробированы на 6 конференциях:
Всероссийская научная конференция студентов (ВНКСФ - 24) 2018; Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов (СНИИ - 2018); Российская конференция с международным участием «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (ICAM’2018) 2018; XVI Всероссийской научно-практической конференции: Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: проблемы, пути решения, г. Ростов-на-Дону 2018; Участие во II Всероссийском конкурсе студенческих научных работ по арктической тематике среди организаций-участников Национального арктического научно-образовательного консорциума, Научно-исследовательский центр «Машиностроение» (НИЦ МС, г.
Новокузнецк) 2018; Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов (СНИИ - 2019).
Публикации по теме дипломной работы.
1) Коломоец С.С., Сусляев В.И., «Электрофизические характеристики вечномерзлотных образований как индикатор глобального изменения климата», «Материалы конференции, г. Томск, 2018г., стр.395 - 396» , ВНКСФ - 24, Томск 31 марта
- 7 апреля 2018 г.;
2) Коломоец С.С., Павлова А.А., «Удельная электропроводность воды термокарстовых озер Ямало-Ненецкого автономного округа», «Программа, г. Томск, 2018г., стр. 9», СНИИ - 2018, Томск 17 - 19 мая 2018г.;
3) Коломоец С.С., Сусляев В.И., «Исследование электрофизических свойств воды термокарстовых озер Ямало-Ненецкого автономного округа», «Программа, г.Томск, 2018г., стр. 8», СНИИ, Томск 17 - 19 мая 2018г.;
4) Коломоец С.С., Павлова А.А., «Удельная электропроводность воды термокарстовых озер Ямало - Ненецского автономного округа», «Материалы двенадцатой конференции с международным участием, г. Томск, 2018г., стр. 59», ICAM’2018, Алтай 4
- 8 июня 2018г;
5) Павлова А.А., Коломоец С.С., «Исследование электрофизических свойств воды термокарстовых озер Ямало-Ненецкого автономного округа», «Материалы конференции, г. Томск, 2018г., стр.556 - 557» , ВНКСФ - 24, Томск 31 марта - 7 апреля 2018 г.;
6) Коломоец Светлана Сергеевна, «Радиофизический метод контроля за состоянием вечномерзлотного слоя», «Материалы XVI Всероссийской научно-практической конференции: Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: проблемы, пути решения, г. Ростов-на-Дону, 2018, стр. 320-324,26 ноября 2018г.
1) Собраны и проанализированы формулы, описывающие зависимость спектров комплексной диэлектрической проницаемости воды от содержания проводящих примесей (солености) и изменения температуры. Показано, что некоторые модели диэлектрической проницаемости дают отличающиеся значения. Для выбора адекватной модели в каждом частном случае требуется экспериментальная проверка.
2) Проведено математическое моделирование спектров воды с различной концентрацией проводящих примесей (S = 0-35%о), в интервале температур 0-35 градусов, в частотном диапазоне 100 - 1000 МГц. Выделены участки частот, где наблюдаются наибольшие изменения величин КДП.
3) Проведены измерения удельной электропроводности дистиллированной воды, образцов термокарстовых озер и морской воды в зависимости от температуры. Показано, что УЭП термокарстовых озер заметно больше, чем у атмосферных осадков.
4) Проведены измерения КДП в диапазоне частот 250- 1000 МГц волноводным методом. Показано, что наибольшие изменения комплексной ДП наблюдаются в низкочастотном участке.
5) По величинам КДП, полученным в результате моделирования, рассчитаны коэффициенты отражения от полубесконечного слоя водных объектов с различной соленостью, температуры.
6) Анализ полученных результатов показал, что изменения коэффициента отражения не достаточны для уверенного различия УЭП воды, но дистанционные методы можно использовать, измеряя мнимую составляющую ДП с помощью беспилотных летательных аппаратов.
Результаты, полученные в ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы, апробированы на 6 конференциях:
Всероссийская научная конференция студентов (ВНКСФ - 24) 2018; Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов (СНИИ - 2018); Российская конференция с международным участием «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (ICAM’2018) 2018; XVI Всероссийской научно-практической конференции: Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: проблемы, пути решения, г. Ростов-на-Дону 2018; Участие во II Всероссийском конкурсе студенческих научных работ по арктической тематике среди организаций-участников Национального арктического научно-образовательного консорциума, Научно-исследовательский центр «Машиностроение» (НИЦ МС, г.
Новокузнецк) 2018; Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов (СНИИ - 2019).
Публикации по теме дипломной работы.
1) Коломоец С.С., Сусляев В.И., «Электрофизические характеристики вечномерзлотных образований как индикатор глобального изменения климата», «Материалы конференции, г. Томск, 2018г., стр.395 - 396» , ВНКСФ - 24, Томск 31 марта
- 7 апреля 2018 г.;
2) Коломоец С.С., Павлова А.А., «Удельная электропроводность воды термокарстовых озер Ямало-Ненецкого автономного округа», «Программа, г. Томск, 2018г., стр. 9», СНИИ - 2018, Томск 17 - 19 мая 2018г.;
3) Коломоец С.С., Сусляев В.И., «Исследование электрофизических свойств воды термокарстовых озер Ямало-Ненецкого автономного округа», «Программа, г.Томск, 2018г., стр. 8», СНИИ, Томск 17 - 19 мая 2018г.;
4) Коломоец С.С., Павлова А.А., «Удельная электропроводность воды термокарстовых озер Ямало - Ненецского автономного округа», «Материалы двенадцатой конференции с международным участием, г. Томск, 2018г., стр. 59», ICAM’2018, Алтай 4
- 8 июня 2018г;
5) Павлова А.А., Коломоец С.С., «Исследование электрофизических свойств воды термокарстовых озер Ямало-Ненецкого автономного округа», «Материалы конференции, г. Томск, 2018г., стр.556 - 557» , ВНКСФ - 24, Томск 31 марта - 7 апреля 2018 г.;
6) Коломоец Светлана Сергеевна, «Радиофизический метод контроля за состоянием вечномерзлотного слоя», «Материалы XVI Всероссийской научно-практической конференции: Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: проблемы, пути решения, г. Ростов-на-Дону, 2018, стр. 320-324,26 ноября 2018г.
