4.2. Процеси нагрівання та охолодження ґрунту. Тепловий баланс ґрунту

Земна поверхня поглинає велику кількість сонячної радіації. Завдяки цьому вдень, особливо влітку, поверхня ґрунту сильно нагрівається, тепло передається прилеглим шарам повітря, а також розповсюджується на глибину. Вночі (зимою інколи вдень) відбувається сильне охолодження земної поверхні шляхом ефективного випромінювання; від поверхні землі це охолодження передається у прилеглі шари ґрунту та повітря.

Поверхня, яка безпосередньо отримує тепло і потім віддає його називається активною поверхнею. Активною поверхнею є оброблений або необроблений ґрунт, пісок, рослинний покрив (трава, листя), сніговий покрив, вода і т.п. Вона може бути однорідною на великому протязі (піски пустині, моря) чи дуже різноманітною (оброблені ділянки та ділянки, які покриті різноманітною рослинністю). У свою чергу і самі ґрунти неоднакові за своїми тепловими властивостями. На скільки різні теплові властивості активної поверхні, на стільки різноманітно протікають процеси нагрівання й охолодження її та передача тепла на глибину.

Активна поверхня більше всього нагрівається в період переваги інсоляції та найбільше охолоджується в період переваги випромінювання. Тому на поверхні ґрунту відбуваються найбільш різкі зміни температури протягом доби та року.

Різниця між найбільшою та найменшою температурою за добу називається амплітудою добових коливань температури .

Відповідно різниця між найбільшими та найменшими середньо місячними температурами за рік називається амплітудою річних коливань.

Для більш наглядного уявлення про механізм нагрівання й охолодження ґрунту розглянемо рис. 6.1 „приходо-расход” тепла на поверхні ґрунту вдень (а) і вночі (б).

Рис. 6.1 Схема „приходо-расхода” на поверхні грунту вдень (а) і вночі (б), де

S’+D – прихід сонячної радіації (прямої та розсіяної),

R – відбита радіація, Е_еф – ефективне випромінювання,

Р – тепловий потік у глибині ґрунту вдень і на поверхні ґрунту із більш глибоких шарів вночі,

LE – витрата тепла на випаровування вдень і прихід тепла внаслідок конденсації вночі (Е – кількість випареної чи сконденсованої вологи, L – теплота випаровування),

V – віддача тепла прилеглому повітрю вдень і притік його із повітря вночі.

Тепловий баланс поверхні ґрунту в загальному вигляді може бути записаний рівнянням

, (6.2)

де Q – кількість тепла, фактично одержаного чи втраченого за одиницю часу поверхневим шаром ґрунту.

Окремі доданки (складові) можуть бути відсутніми, тобто дорівнювати нулю; наприклад, вночі S’+D=0 і R=0; подвійні знаки у P, LE і V показують, що ці потоки можуть мати в різних випадках різні напрямки. Очевидно, що якщо баланс Q позитивний (тобто прихід тепла більший за його витрати), то температура ґрунту збільшується, при негативному Q - температура ґрунту знижується.

На ступінь нагрівання ґрунту впливає її колір: світлі ґрунти менше нагріваються вдень, ніж темні, завдяки більшій відбиваючій здатності; різниця в температурах світлого та темного ґрунту може коливатися в межах 2-5⁰. Вночі світлі ґрунти менше випромінюють і менше охолоджуються, ніж темні.

Температура ґрунту також у значній мірі залежить від структури ґрунту. На поверхні пухкого ґрунту, більш шороховатого, вдень спостерігаються більш високі, а вночі більш низькі температури, тому що така поверхня менше відбиває вдень, а вночі більше випромінює тепла, чим більш гладка поверхня щільного ґрунту. Тому пухка поверхня вдень більш нагріта, а вночі більш охолоджена, ніж щільна поверхня.