7.3.2. Дифузія.

Отже, основний процес газообміну між ґрунтовим повітрям і атмосферним, головний процес аерації ґрунтів і емісії СО₂ – це дифузія. Процес дифузії, який відбувається у результаті градієнта концентрації газу (dc/dz), описується рівнянням Фіка (І-й закон Фіка):

, де

– дифузний потік газу;

D – ефективний коефіцієнт дифузії [см²/доб, см²/сек].

Для розрахунку дифузійного потоку того чи іншого газу потрібно знати градієнт його концентрації і ефективний коефіцієнт дифузії.

Якщо газ дифундує у вільній атмосфері, його дифузія характеризується коефіцієнтом дифузії (D₀). Цей коефіцієнт залежить від властивостей газоподібного компоненту при умовах постійності температури і тиску. Для таких поширених газів, як О₂ і СО₂, при стандартних умовах (атмосферний тиск 1030 мм водн. ст., температура 20⁰С) величини становлять 0,177 і 0,139 см²/доб.

А от у ґрунті дифузія буде проходити в більш “стиснутих” умовах – лише у шпаровому просторі ґрунту. Газ буде переміщуватись у шпарах, вільних від води, різного діаметру і звивистості. Тому часто враховують ці два фактори (шпаруватість аерації і звивистість шпар) у простому рівнянні:

, де

D₀ – коефіцієнт дифузії газу у шпаровому просторі з врахуванням шпаруватості аерації ( ) і звивистості шпар (f).

Вказують, що при високій шпаруватості аерації, тобто у структурних і легких ґрунтах при невисокій вологості можна використовувати рівняння

D₁ = D₀ 0,66

А якщо шпари будуть заповнятись водою, це рівняння використовувати не можна. І при повністю заповненому шпаровому просторі вважається, що коефіцієнт дифузії газу у ґрунті на 4 порядки менший, ніж в атмосфері при нормальних умовах.

Крім заповнення шпар водою і їхню звивистість на процесі перенесення газу в ґрунті буде мати вплив і активна у відношенні газів ґрунтова поверхня. Це явище носить назву активованої дифузії. Молекулам газу потрібна додаткова енергія для свого пересування у шпаровому просторі, так як поверхнева енергія твердої фази у шпаровому просторі ґрунту лімітує газоперенесення. Явище активованої дифузії також можна врахувати у вигляді додаткового коефіцієнта дифузії D₂ .

Якщо рідина або газ рухаються у шпаровому просторі структурного ґрунту, то будуть виникати явища змішування, тобто явища динамічної дисперсії. У таких умовах, так само, як і при перенесенні розчинних речовин у ґрунті, на перенесення газів у шпаровому просторі будуть мати плив будова шпарового простору і швидкість переміщення (пересування). Тому і коефіцієнт дифузії газу в ґрунті буде визначатись швидкістю руху газу у ґрунті, тобто залежати від масового потоку ґрунтового повітря. Часто використовують залежність коефіцієнта дифузії газу у ґрунті від швидкості конвективного газоперенесення наступного виду: D₃ = 0,7D₀ + 1,75v², де v – швидкість конвективного газоперенесення.

Всі вказані явища у вигляді перенесення газів по звивистому, вільному від води шпаровому просторі (D₁), активованої дифузії (D₂), динамічної дисперсії (D₃) переважно об’єднують в одне – явище ефективної дифузії):

D_ефк = D₁ + D₂ + D₃

Це дозволяє використовувати один коефіцієнт – коефіцієнт ефективної дифузії (D_ефк) при розрахунках газоперенесення. При цьому, однак, у більшості випадків його потрібно визначати експериментально, оскільки структура шпарового простору, активність поверхні твердої фази у кожному ґрунтовому горизонті унікальні. В найбільш загальному вигляді існує ступенева залежність:

D_ефк = m D₀ ⁿ, де

m і n – емпіричні константи.