Конвекція

Переніс газів у ґрунті

Як у випадку перенесення тепла, так і у випадку перенесення іонів та інших речовин у ґрунті, основними механізмами перенесення газів є конвекція (масовий потік) і дифузія (потік за рахунок градієнту концентрації).

Це перенесення ґрунтових газів з масовими потоками повітря і води, діючою силою якого є перепад тисків – пневматичного (“пневматичний” походить від грец. слова вітер, дихання) і суми капілярно-сорбційного та гравітаційного тисків. При перенесенні газу у розчиненому стані слід використовувати рівняння Дарсі і/або Річардса для розрахунку перенесення води. Потім, знаючи концентрацію розчиненого газу, можна розрахувати і кількість перенесеного у розчинному стані газу. Значення цього типу перенесення газів невелике. Прості розрахунки це підтверджують. У 1 м³ води, що поступив у ґрунт, міститься приблизно 6 л О₂. Середнє використання О₂ корінням рослин складає 0,2 л/год на 1 кг кореневої маси. Відповідно, ця кількість О₂, яка поступила у ґрунт, буде витрачена за добу.

Конвективний переніс газу з повітрям буде визначатись явищем повітропроникності ґрунту і описуватись рівнянням:

, де

– конвективний потік газу, який проходить під дією градієнту пневматичного тиску – (dP_a/dz);

К_а – повітропроникність ґрунту [м²];

С_а – концентрація відповідного газу у повітрі, що рухається;

η – динамічна в’язкість повітря [Па·с].

Причин виникнення перепаду пневматичного тиску можуть бути кілька:

1) зміни атмосферного тиску;

2) виникнення тимчасових перепадів за рахунок поривів вітру, нерівностей поверхні;

3) випадання опадів, зрошення, які витісняють ґрунтове повітря із шпарового простору ґрунту;

4) зміни температури ґрунту, що приводить до розширення і стискування повітря у ґрунті.

Розглянемо поступово можливий вплив цих процесів на зміну газів у ґрунті, їх виділення в атмосферу.

Зміни атмосферного тиску. Якщо припустити, що атмосферний тиск зміниться від 760 до 750 мм рт. ст., то за законом Бойля-Маріотта (P₁V₁=P₂V₂) об’єм газів у ґрунті зміниться лише на 1/76 частину. Це, звичайно, небагато. І суттєвого значення цей процес на газообмін ґрунтового і атмосферного повітря не має.

Тимчасові перепади тиску можуть виникнути у випадку поривів вітру над поверхнею ґрунту, у випадку руху повітря над нерівностями поверхні. На рис. 7.4 наведені випадки локального підвищення тиску (рис. 7.4, а) або пониження тиску (рис. 7.4, б) за рахунок руху повітря над поверхнею ґрунту.

Рис. 7.4. Рух повітря, що створює локальне підвищення (а) і пониження (б) пневматичного тиску над ґрунтом

Пояснити такі локальні підвищення або пониження тисків можна, застосовуючи закон Бернуллі, який говорить, що чим більша швидкість руху рідини або газів, тим менший тиск у потоці. Виходить, що у мікропониженнях тиск буде вищий, ніж над мікропідвищеннями. Ці локальні перепади повинні викликати рух повітря і відповідно конвективне перенесення газів. Проте і це явище тимчасове, пов’язане з поривами вітру, локальне і суттєвого вкладу у процес газообміну не вносить.

Вплив опадів, зрошення. Це явище проявляється у тому, що вода, яка поступає у ґрунт, витісняє шпаровий простір. Але чи дійсно вода так інтенсивно “витісняє” повітря? Якщо на поверхню ґрунту поступило 10 мм водяного шару опадів (досить помітні зміни запасів вологи, ∆ЗВ), то зміни об’ємної вологості становитимуть:

,

або якщо близьке до 1 г/см³ і розглядається шар потужністю (h) 10 см, то =1/(10·1)=0,1 або всього на 10 %. Відповідно і повітровміст (шпаруватість аерації) зміниться лише на 10 %. Значення це явище у газообміні також невелике.

Останній фактор конвективного газоперенесення – температура, нагрівання і охолодження ґрунту протягом доби. Зробимо прості розрахунки, враховуючи, що зміни температури лінійно пов’язані з об’ємом газу (PV=RT, де R – газова стала, інші позначення – ті ж). І якщо протягом доби температура вдень збільшилась на 20 ⁰С, а вночі знизилась на 20 ⁰С, тобто перепад температур буде значним – 40 ⁰С, то зміниться всього лише 40/273 ≈ 0,15, тобто всього 0,15 частини об’єму. І цей процес конвективного перенесення буде незначним.

Виходить, що процес конвективного перенесення, який може включати різноманітні процеси (надходження у розчинному вигляді з опадами, поливами, “поршневий” рух повітря, який виникає у результаті вбирання води, добові зміни температури, пориви вітру над нерівною поверхнею, зміни атмосферного тиску), не має суттєвого, тобто стабільного, інтенсивного і довготривалого за дією, впливу на газоперенесення.

Дата добавления: 2014-01-04