Перенос тепла в почве

Радиационный и тепловой баланс

Тепловой режим почв

Тепловым режимом почвы называют совокупность процессов поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла. Он оценивается температурой почвы, суточными и годовыми закономерностями ее изменения, тепловыми свойствами почвы: теплоемкостью, теплопроводностью и температуропроводностью. Тепловой режим почвы обусловлен как климатическими условиями, так и свойствами самой почвы, а также зависит от рельефа, литологических, гидрогеологических условий, растительности.

Тепловой режим характеризуется радиационным и тепловым балансами. Радиационный баланс,

Тб = Qp + Qg - Qotp - Qизл,

где Qp - приход коротковолновой солнечной энергии, прямой и рассеянной, Qg - приход длинноволнового излучения из атмосферы, Qotp - отраженная поверхностью коротковолновая радиация, Qизл -длинноволновое излучение подстилающей атмосферу поверхности. Эту формулу можно использовать для оценки радиационного баланса за любой период (час, сутки, месяц, год, многолетний период).

Радиационный баланс изменяется в зависимости от широты местности и времени года. В тундре он равен 10—20 ккал (42—84 кДж)/см², в южной тайге — 30—40 (126—167), в черноземной зоне — 30—50 (126—209), а в тропиках превышает 75 ккал (314 кДж)/см² в год.

Тепловой баланс почвы определяется по формуле:

Тб + Тт + Тп + Тк= О,

где Тб - радиационный баланс, Тт - затраты тепла на транспирацию и физическое испарение воды, Тп - расход тепла на теплообмен с глубокими слоями, Тк - количество тепла, идущего на нагрев возду­ха. Для понимания сути влияния тепла на почвообразование важно знать в первую очередь радиационный баланс, глубину проникнове­ния тепловой волны в почву, сумму температур более 10° на глубине 20 см (в слое 0-20 см содержится максимум корней).

Преобразование поступившего в почву тепла теснейшим образом связано с теплопроводностью и теплоемкостью. Основными механизмами теплопроводности являются кондукция, теплоперенос и конвекция.

Кондукция — перенос тепла при непосредственном контакте ча­стиц друг с другом. Так как почвенные частицы практически всегда контактируют друг с другом, этот механизм преобладает во всех ми­неральных почвах.

Перенос «скрытой теплоты» (теплопароперенос) - перенос тепла совместно с парами воды, образующимися (с потерей тепла) в одной точке почвы и конденсирующимися (с выделением тепла) в другой. Выражение «скрытая теплота» связано с термином «скры­тая теплота парообразования», которая составляет 585 кал/г. Если в почве имеется градиент температуры, то пары воды движутся от точки с большей температурой в точку с меньшей температурой.

Конвекция - прогревание за счет струйчатого перемешивания жидкой и газообразной фаз. В почвах проявление этого механизма заметно лишь при высокой влажности, быстром перемешивании свободной воды.

При изменении влажности почвы эти механизмы по разному будут формировать теплопроводность почвы в целом. Первоначально в сухой почве частицы свободно лежат друг относительно друга. И теплоперенос будет обусловлен лишь отдельными немногочисленными контактами (кондукция). По мере образования водной пленки частицы приближаются друг к другу. Увеличивается число контактов, хотя свободное поровое пространство еще значительно, и водные «пробки», заполненные водой капилляры, не препятствуют термопаропереносу. В данный момент представлены в полной мере два основных механизма паропереноса. Теплопроводность достигает максимальных значений. Это происходит в момент достижения почвой влажности, близкой к ВРК. При дальнейшем увеличении влажности теплопроводность будет возрастать уже слабо, в основном за счет механизма конвекции, свободной циркуляции жидкости.

Поэтому зависимость коэффициента теплопроводности от влажности носит характер, близкий к экспоненциальному, когда после значений влажности, близких к ВРК, кривая выполаживается, приближаясь к максимальным значениям.

Для оценки прогревания и охлаждения почвы наряду с теплопроводностью учитывается и теплоемкость, то есть количество тепла для нагревания одного грамма (или см³) почвы на один градус. Теплоемкость почвы возрастает с увеличением ее влажности и плотности. Для прогрева влажных и плотных почв требуется большее количество тепла. Объемная теплоемкость органического вещества почвы примерно в 1,25 раза выше, чем минеральных. Соответственно торфяные почвы отличаются значительно большими ее величинами.

Для определения скорости температуропроводности используется уравнение теплопереноса, связывающее изменения температуры во времени с изменением температуры по расстоянию. Для динамики температуры это уравнение имеет вид

dT	= k	d^2T
dt	dz^2

где dT – изменение температуры почвы во времени,

Дата добавления: 2014-11-16