17

Лекція 8 Теплофізика ґрунту

8.1. Радіаційний баланс і тепловий баланс.

8.1.1. Радіаційний баланс.

8.1.2. Тепловий баланс.

8.2. Основні механізми перенесення тепла в ґрунті.

8.3. Теплофізичні властивості ґрунту.

8.4. Тепловий і температурний режими ґрунту. Температурні оптимуми.

8.5. Класифікація теплових режимів.

8.1. Радіаційний баланс і тепловий баланс

У природі всі життєво важливі процеси відбуваються на границях розподілу природних тіл, причому на різних масштабах розгляду. У масштабі ґрунтових часток і агрегатів – на границі розподілу фаз дисперсного тіла. Це процеси обміну, сорбції/десорбції, концентрації ґрунтових мікроорганізмів. У масштабі ґрунтового індивідуума, ґрунтового покриву також всі основні біологічні процеси протікають на поверхні ґрунту. І у масштабі біосфери також на границях розподілу: суша – водні простори (це прибережні літоралі, у яких кипить життя), вода – атмосфера (це шар води з планктоном і іншими автотрофами-продуцентами, різноманітними тваринними гетеротрофами-консументами), вода – твердофазне дно, де в основному переважають редуценти (це так звана “бентосна плівка”).

Все це відбувається тому, що на цих біосферних границях здійснюється перетворення енергії – променева енергія сонця перетворюється у теплову або хімічну. За рахунок теплової прогрівається середовище проживання і стають можливими швидкі біохімічні процеси, хімічна енергія запасається у складних природних органічних речовинах, мулах, торфах та ін.

Ґрунт у цьому відношенні – унікальне природне утворення. Перш за все, на поверхні ґрунту відбувається трансформація променевої енергії у теплову, яка прогріває і ґрунт, і приземний шар повітря. Тому саме тут, у ґрунті і приґрунтовій зоні, зосереджена активна біологічна діяльність по перетворенню речовин, особливо органічних. Саме тому і у прогрітому приґрунтовому шарі повітря інтенсивно розвиваються зелені рослини – первинні постачальники енергії у ланцюгах живлення, і тварини, для яких важливо підтримувати оптимальний температурний режим для дихання. Виходить, що на поверхні і всередині ґрунту відбуваються перетворення, перенесення і виділення енергії – життєво важливі біосферні процеси. Саме тому часто можна почути образне висловлювання: “Ґрунт – це реактор”. Можна додати, “реактор життя” – так важливі енергетичні процеси у ґрунтах.

Перетворення енергії відбувається на діяльній поверхні.

Діяльна поверхня – це поверхня (ґрунту, рослинного покриву), на якій відбуваються перетворення сонячної радіації у інші види енергії.

8.1.1. Радіаційний баланс.

З цього визначення випливає, що діяльною поверхнею може бути поверхня ґрунту або поверхня рослинного покриву, а може бути і одне, і друге. І ще це визначення означає, що якщо проходить перетворення енергії, то повинен зберігатись баланс: кільки енергії надійшло у вигляді сонячної радіації, стільки ж повинно і утворитись в інших видах (наприклад, у вигляді теплової).

Позначимо сонячну радіацію, що надходить, у вигляді потоку енергії І_n, одиниці вимірювання її Вт/м² = Дж/м²·с ≈ 0,24 кал/м²·с. Ця сонячна радіація складається з кількох видів, або складових радіаційного балансу. Перш за все, з прямої сонячної радіації І_s (рис. 8.1). Це короткохвильова (400-750 нм – ультрафіолетова і видима області) радіація, яка йде прямо і безпосередньо від Сонця. В основному саме ця радіація і формує клімат: чим ближче кут падіння сонячних променів до нульового (вимірюють кут падіння променів як кут між променем і нормаллю до поверхні ґрунту), тим жаркішим буде клімат. І саме слово “клімат” походить від латинського “clima” – кут, у даному випадку падіння сонячних променів. Крім того, частина цієї прямої радіації бере участь у процесах фотосинтезу рослин. Тому її і називають фотосинтетично активною радіацією – ФАР. На цю радіацію приходиться приблизно 40 % всієї сонячної радіації, яка досягає діяльної поверхні. Лише 1-3 % від ФАР накопичується у вигляді продуктів фотосинтезу і лише в дуже рідкісних випадках (тропічні ліси, плантації цукрової тростини) – до 5 %, а у штучних умовах – до 8 %.

Рис. 8.1. Схема радіаційного і теплового балансу діяльної поверхні

Друга складова – це розсіяна радіація І_а, радіація, відбита від підвішених колоїдних і інших частинок в атмосфері.

Ще одна складова, яка приходить на діяльну поверхню, – це противипромінювання атмосфери І_li, яке формується у результаті нагрівання частинок а атмосфері. Воно представлене довгохвильовим випромінюванням (довжина хвилі більше 750 ммк) і утворюється, коли нагріті частинки і гази в атмосфері виділяють у навколишній простір теплове інфрачервоне випромінювання.

Таким чином, на діяльну поверхню надходить радіація у вигляді I_s + I_a + I_li, причому у більшості випадків короткохвильова, що надходить (I_s + I_a)_надх, і довгохвильова складові досить порівнювальні за значенням.

Частина радіації, що надходить, відбивається від діяльної поверхні у вигляді короткохвильової (I_s + I_a)_відб, а частина – у вигляді довгохвильової, формує випромінювання діяльної поверхні, ґрунту, I_lе. Це ґрунт (вірніше, діяльна поверхня) постійно виділяє у навколоґрунтовий простір інфрачервоне випромінювання, теплові промені. Тоді радіаційний баланс у денний час можна представити наступним рівнянням:

І_n = [(I_s + I_a)_надх – (I_s + I_a)_відб] + (I_li – I_lе)

Перший член (у квадратних дужках) представляє собою енергію, сформовану за рахунок короткохвильової радіації, а другий член – за рахунок довгохвильової. Два ці види радіації беруть участь у нагріванні ґрунту. Особливо слід сказати про величину випромінювання діяльної поверхні ґрунту, I_lе. Ми часто вважаємо, що це весняне сонце прогріває приземний шар повітря, приносячи перше тепло. Однак основне значення тут має саме випромінювання ґрунту. І можна сказати, що саме ґрунт приносить нам весняне тепло, весняний вітерець.

Часто використовують поняття “альбедо” (α, величина безрозмірна) як відношення відбитої до прихідної короткохвильової енергії, що характеризує стан діяльної поверхні:

Для свіжого снігу α становить 0,8-0,85, для сухого ґрунту – 0,15-0,35, а для волого – 0,05-0,014. Природно, що чим нижче α, тим більша кількість радіаційної енергії перетворюється і надходить у ґрунт. Тому якщо ми хочемо направити у ґрунт додатковий потік енергії, потрібно прагнути зменшити α діяльної поверхні. Найчастіше це досягається покриттям поверхні темними плівками, чорними матеріалами (торфом, сажею та ін.).

Слід відмітити, що величина альбедо залежить не лише від кольору поверхні, але і від її шаршавості і від кута падіння сонячних променів.

У випадку використання величини α рівняння радіаційного балансу має такий вигляд:

Це радіаційний баланс для денного часу, коли світить сонце. У нічні години він становить лише різницю довгохвильових радіацій І_n = I_li – I_lе.