8.5. Поширення коливань температури в глибину ґрунту та водойм

Загальна теорія молекулярної теплопровідності, розроблена Фур'є, може бути використана для пояснення закономірностей поширення коливань температури вглиб ґрунту, оскільки нагрівання та охолодження його поверхні передається вглиб ґрунту, насамперед, шляхом молекулярної теплопровідності. Закони, що описують характер поширення тепла вглиб ґрунту, мають назву законів Фур'є.

Перший закон говорить, що незалежно від типу ґрунту період коливань температури не змінюється з глибиною. Це значить, що не тільки на поверхні, але й на всіх глибинах інтервал між двома послідовними мінімумами або максимумами температури в середньому однаковий і становить у добовому ході 24 години, а в річному - 12 місяців.

Другий закон Фур'є можна сформулювати так: якщо глибина зростає в арифметичній прогресії, то амплітуда коливань температури зменшується в геометричній прогресії. Наприклад, якщо амплітуда добових коливань температури на поверхні ґрунту дорівнює 16°С, то на глибині 20 см вона становить 4°С, на глибині 40 см - 1°С, а на глибині 60 см усього 0,25°С. На деякій порівняно невеликій глибині добова амплітуда стає практично такою, що дорівнює нулю; значить, тут відмічається шар постійної добової температури. Цей шар у різних випадках знаходиться на глибинах від 70 до 100 см.

Шар ґрунту, в якому температура залишається незмінною протягом року, називається шаром постійної річної температури. Він знаходиться значно глибше - від 15 до 30 метрів.

Згідно з третім законом терміни настання максимальних і мінімальних температур як у добовому, так і в річному ході запізнюються з глибиною пропорційно їй. Так, добові екстремуми запізнюються на кожних 10 см глибини в середньому на 2,5 - 3,5 години, а річні екстремуми на кожний метр глибини запізнюються на 20 - 30 діб. З наведених прикладів видно, що швидкість поширення тепла в ґрунті не дуже велика.

Глибини проникнення добових і річних коливань температури відносяться між собою як квадратні корені з періодів коливань.

(8.4)

де Z₁ та Z₂ - глибина проникнення відповідно добових і річних коливань температури; Т₁ і Т₂ - періоди (у добах) відповідно добових та річних коливань.

Останнє співвідношення деякі автори відносять до четвертого закону Фур'є. Враховуючи, що період річних коливань у 365 разів більший від періоду добових коливань, на основі формули (8.4) отримаємо, що глибина проникнення річних коливань температури в 19 разів більша за глибину проникнення добових коливань температури в ґрунті.

Наведені вище закони загалом підтверджуються спостереженнями лише з якісного боку. Стосовно ж кількісних оцінок, то вони в багатьох випадках розбіжні з результатами спостережень. Відбувається це тому, що, по-перше, склад і структура ґрунту на різних глибинах неоднорідна, по-друге, тепло поширюється вглиб ґрунту разом з просочуванням опадів, що порушує закони молекулярної теплопередачі й, нарешті, тепло поширюється вглиб ґрунту не строго вертикально, як приймалось в теорії молекулярної теплопровідності, а і в інших напрямках.

Перейдемо тепер до аналізу реального розподілу температури ґрунту з глибиною. При додатному радіаційному балансі температура ґрунту знижується з глибиною (частіше вдень), а при від'ємному - зростає (частіше вночі). Оскільки потік тепла в ґрунті спрямований у бік зниження температури, то в денні часи потік тепла додатний і спрямований вглиб ґрунту, а в нічні часи він від'ємний і направлений з глибини до поверхні ґрунту. Усереднений за добу потік тепла додатний влітку і від'ємний взимку. Середня добова температура ґрунту з глибиною влітку знижується і взимку зростає. У перехідні сезони (навесні та восени) спостерігається більш складний розподіл середньої добової температури з глибиною. Середня річна температура ґрунту знижується з глибиною в низьких широтах і зростає в високих.

Залежно від того, знижується чи підвищується температура ґрунту з глибиною, розрізняють два типи вертикального розподілу температури ґрунту: 1) тип інсоляції та 2) тип випромінювання. При типі інсоляції температура ґрунту знижується з глибиною, а при типі випромінювання вона зростає. Реальний розподіл температури ґрунту в просторі й часі в конкретному місці вивчається з допомогою спеціального графіка, що отримав назву графіка ізоплет. Його будують за багаторічними середньомісячними температурами ґрунту на різних глибинах. На цьому графіку по вертикальній осі (ординат) відкладають глибини, а по горизонтальній осі (абсцис) - місяці. У координатній площині цього графіка в кожній точці, що відповідає заданим глибині та часу, наносять середні місячні значення температури. Потім за значеннями цих температур проводять плавними лініями ізотерми, які називають термоізоплетами. Такий графік зображений на рис. 5. Видно, що термоізоплети дають наочне уявлення про розподіл у просторі й часі температури ґрунту. Так, рухаючись уздовж горизонтальної лінії, ми бачимо, як змінюється температура ґрунту на даній глибині протягом року. Переміщення ж уздовж вертикальної лінії дає можливість судити про розподіл температури з глибиною в певному місяці.

Стосовно ж розподілу температури води з глибиною в морях і океанах, то він суттєво відрізняється від розподілу температури в ґрунті. Так, в усьому шарі турбулентного перемішування, який називають квазіоднорідним шаром, профіль температури близький до ізотермічного, так як під впливом турбулентного обміну температура вирівнюється. Нижче квазіоднорідного шару температура води різко змінюється з глибиною. Цей шар називають шаром сезонного термоклину. Положення нижньої границі квазіоднорідного шару істотно змінюється протягом року. З липня до жовтня його товщина близька до 50 метрів, а в середині сезонного термоклину температура різко знижується з глибиною. У цей період температура поверхні води висока, густина її збільшується з глибиною, внаслідок чого перемішування в квазіоднорідному шарі підтримується тільки за рахунок енергії вітру. Під час осінньо-зимового періоду перемішування зумовлене не тільки впливом вітру, але й конвекцією, що виникає при охолодженні поверхневого шару води. Тому товщина квазіоднорідного шару в цю пору року збільшується, досягаючи в січні - березні 100 - 150 метрів. Розподіл температури з глибиною в сезонному термоклині в цю пору року теж характеризується різким зниженням. Нижче сезонного термоклину температура води повільно знижується з глибиною, наближуючись до постійної протягом усього року температури близько 2 - 4°С на глибинах більше 300 метрів. Амплітуда річного ходу температури води з глибиною, як і в ґрунті, зменшується, однак на глибинах 200 м ще помітні річні коливання.

МІСЯЦІ

Рис. 5. Приклад графіка термоізоплет річного ходу температур у ґрунті