Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

«К вопросу о »

Алексей Андреевич Роде (1896 1979)

В этом учебнике имя А.А.Роде упоминается многократно в различных разделах.Это был выдающийся ученый, создательучения о гидрологиипочв, автор нескольких прекрасных монографий и учебников, которые можно читатькакинтересный роман. По воспоминаниямсовременников, это былблестящийэрудит, замечательныйчеловекнеобыкновеннойскромностиипростоты. Иисключительной научнойчестности.

Ведь это только в учебниках одна гипотеза плавно дополняет другую, пока не сформируется новая теория или уравнение. В жизни, в научной жизни, все нетак. Ученыемужи ссорятся, эмоциинередко перехлестывают через край. Страсть и желание доказать «свою» правду пронизывают нередко и научные статьи. Так, если почитатьдискуссию А.А.Родес Н.А.Качинскимпо поводу определения наименьшей (или, как предлагал Никодим Антонович Качинский, общей) влагоемкости на страницах журнала «Почвоведение», можно было бы предположить, что эти два великих ученых находятся в противоположныхлагеряхивнауке,ивоколонаучнойжизни.ОднакодляА.А.Роде истина, порядочностьи справедливостьбыливышевсего. Вот эпизод, приведенный Л.О.Карпачевским в книге «Воспоминания об Алексее Андреевиче Роде» (М., 1996). В 50-х годах вышла научно-популярная книга Н.А.Качинского «Жизнь почвы». Странно, что эта интересная книга вызвала ряд нареканий, некоторыепочвоведы еераскритиковали, особенно иллюстрацию вкниге, где была приведена фотография ковыльной степи, которую рецензенты почему-тоназвалилуговой. Критикеэтойкнигибыло дажепосвящено особое собраниев Почвенном институте. По поводуэтого собрания Л.О.Карпачевскийвспоминает: «Ивдругнатрибунувышелчеловекмаленького роста, изящным внезапным движением поставил перед трибуной большую фотографию ковыльнойстепи. – «Что это?» спросилон, изал дружно ответил: «Ковыльная степь». Тогда А.А.Роде, а это был он, повернулся к Никодиму Антоновичуи сказал: «Вывидите, что ВыправыивсеобвиненияВасвразныхошибках такиеже надуманные, какэто. Поэтому готовьте, Н.А., новое изданиеВашей прекраснойкниги»(Л.О.Карпачевский, 1996, с.41). Этоли нелучшийпример научнойпринципиальности, мужестваичестности!

Втонкойводнойпленкевозникаетдавление,котороеможнорассчитатьпоуравнению:

Pz zСn ,

где Pz давление в тонкой пленке, z толщина этой пленки, С, n – константы. Исследования передвижения пленок, их сосуществования с капиллярами и соответствующие уравнения предложены из-

вестнымироссийскимифизико-химиками,основоположникамиуче- ния о равновесии в тонких пленках и капиллярах Б.В.Дерягиным, Н.В.Чураевым и известным агрофизиком–теоретиком С.В.Нерпиным.

Атеперьвспомним о давлении влагив капиллярах, обусловленномналичиемповерхностногонатяжения.Поверхностноенатяжение это работа, которую надо затратить для того, чтобы увеличить поверхность жидкости при сохранении ее объема неизменным. Иногда говорят, что это работа силы по извлечению молекулы воды из объема в приграничный слой вода воздух. Отсюда и математические выражения:

AS FLS FL [дин/см],

где – поверхностное натяжение, А – работа по увеличению поверхности раздела на величину S – площади поверхности, L – длина, а F – сила.Равновесиемеждукапиллярнойипленочнойвлагойобусловлено равенством давлений в менисках и в пленках воды. В этом случае вода около рассмотренных частиц (рис.V.4) находится в равновесии.

Благодаряналичиюповерхностногонатяжения,наличиюразделатрехосновных фазпочвыивозникаюткапиллярные явлениявпочве. Для того чтобы получить главные математические выражения, вспомнимосновныепонятиямолекулярнойфизики.Вспомнимтрадиционныйстеклянныйкапилляр,помещенныйвчашкусводой,формированиеменискаскривизнойрадиусамиR1 иR2 ,вследствиекоторых подвогнутойповерхностьюменискаформируетсядавлениеР1,меньшее, чем над поверхностью свободной воды (Р2 ).

За счет разницы давлений и возникает подъемная сила в капил- ляре(Р2-Р1),котораясвязанасрадиусамикривизныменисковпоурав- нениюП.Лапласа:

величина положительна, то мениск вогнут в сторону жидкости, если жеотрицательна всторонугазовойфазы. Инаконец,еще одноприближениек«чистойгеометрии»:еслинашкапиллярцилиндрический,

то R1=R2 и равно R, а P2 P1 2R . Однако до сих пор мы имели де-

Рис. V.5. Схема подъема воды в стеклянном капилляре (а) и соотношение радиуса мениска и капилляра (б)

ло с некоторой трудно измеримой величиной радиусом кривизны мениска. Но ведь ее можно заменить более реальным радиусом самого капилляра. Действительно, как видно из рис. V.5, б, R = r/cos ,

И, наконец, разница давлений реализуется в подъеме столба воды плотностью w, на высоту h, т.е. справедливо равенство

2 cos w gh r ,

где g ускорение свободного падения. Тогда высота капиллярного поднятия воды будет составлять

h 2 cos . rg w

Как всегда проверим размерности входящих в уравнение величин, используя систему CGS; в частности, для правой части:

А это именно размерность высоты капиллярного поднятия.

Все справедливо. Безусловно, ведь мы получили известное уравнениеД.Жюрена,связывающеевысотукапиллярногоподнятиясрадиусом капилляров. Это уравнение нередко приводят в более простом виде, принимая плотность воды, ускорение свободного падения, поверхностное натяжение и угол смачивания константными, характерными для чистой воды и кварца: h 0.15/r. Здесь важно опять-таки напомнить, что высота капиллярного поднятия и радиус капилляра должны быть измерены в одних единицах, например в см.

Уточним важные для дальнейшего рассмотрения итоги вывода уравненияД.Жюрена.

Вэтомуравнениивысотакапиллярногоподнятияh приравнивается

кперепаду давлений всвободной воде и под менискомP2 – P1 . Это первое упоминание отом,что водав почвенаходится под некоторым давле-

нием (в данном случае Р1), меньшим атмосферного, за счет менисковых сил. Это очень важно, и этому будет посвящена специальная тема.

Из уравнения Д.Жюрена следует, что чем тоньше капилляр, тем выше должна подняться вода. В самом общем случае это справедливо, но справедливо только в определенных пределах, в особенности, когда дело касается реальных почв. Действительно, наблюдения показывают, что вода от уровня грунтовых вод поднимается (весьма усредненные данные) в:

песках до 35 80 см; супесях до 80 120 см; суглинках до 120 350 см; глинах до 350 600 см;

тяжелых глинах до 450 см (заметьте! Высота подъема снижается от глин к тяжелым глинам).

Оказывается, формула Д.Жюрена для очень тонких капилляров диаметром менее 10-6 см неприменима. И понятно, почему: все пространствовтакихтонкихкапиллярахзанятопленочнойиадсорбированнойводой.Длякапиллярнойводывтакихтонкихкапиллярахпростонетпространства.Поэтомувтяжелыхглинахвысотакапиллярного подъема может снижаться.

Важно и еще одно. Уравнение Д.Жюрена получено с использованиемдвухоченьважныхдопущений:(1)цилиндрическийкапилляр и (2) система «чистая вода кварц». А именно несоблюдение этих допущенийприводиткрядучрезвычайноинтересныхиполезныхэффектов в почвах. Например, тот факт, что капилляр в почвах редко бывает цилиндрическим с постоянным диаметром, а чаще бывает переменного диаметра, приводит к интересному эффекту, названному«жаменовскимицепочками».Рассмотримэтоявлениеподробнее.

«Квопросу о»

Висячие сады Семирамиды

Со школьных лет нам известны легенды об этих садах как об одном из семи чудес света. Это действительно чудо вырастить тенистые сады в сухой ассирийской пустыне, сады, в которых росли не только финиковые пальмы, но и яблони, груши, косточковые. По одной из легенд, именно в тени этих садов окончил свой жизненный путь великий Александр Македонский. Как же можно было вырастить эти сады в пустыне, как это «умудрилась» сделать Семирамида?

Трогательная легенда об этой женщине прошла через многие века. Семирамида родилась и выросла в многоводном Вавилоне и, наверное, всю жизнь мечтала о садах, воде и тени. Но она стала женой ассирийского царя, в безводной сухой Ассирии. Через некоторое время муж скончался, и она стала регентшей при малолетнем сыне. Энергия, талант этой женщины воистину легендарны: она покорила Мидию, Египет. Но однажды, вернувшись из военного похода, узнала об измене сына, о его заговоре против нее. Тогда она сама отдала престол, превратилась в голубя и улетела. С тех пор голубь самая почитаемая мирная птица.

Однако не военные походы, не эта трогательная легенда сохранили память о Семирамиде, а ее сады. Выживали и росли они в пустыне, возможно, благодаря капиллярным явлениям, а именно «жаменовским цепочкам». Вполне вероятно, дело обстояло следующим образом. Перед посадкой садов рабы долго на своих плечах носили глинистую почву из долины Тигра. Эту работу прерывали нередкие в этих местах песчаные бури. Песок осаждался на глинистый грунт, а затем рабы снова продолжали свой труд. Так образовывалась почва с песчаными прослойками. Эта естественно образовавшаяся «почвенная конструкция» за счет эффекта «жаменовских» цепочек не давала воде фильтроваться за пределы корнеобитаемого слоя. Сады, конечно же, поливали. Но влага не уходила за пределы корнеобитаемого слоя, так как «жаменовские цепочки» являлись водоупором. Поэтому влага сохранялась в корнеобитаемой толще, целенаправленно расходуясь на транспирацию растений. Так и сформировалось одно из чудес света«висячие» сады Семирамиды. А росли они, по этой версии, на капилляр- но-подвешенной влаге «жаменовских цепочек».

Впрочем, это явлениеводонепроницаемых«жаменовских цепочек»повсеместно использовалось и используется. Например, в военные годы с помощьютаких слоистых песчано-глинистыхконструкций строилинебольшие пруды около аэродромов. Эти пруды были очень просты в постройке и практически не фильтровали воду. С помощью именно такого проема была построена одна из очередей Волго-Балтийского канала. Смею утверждать, что подобные водоудерживающие почвенные конструкции – это ландшафтные конструкции будущего, в особенности в сухих песчаных районах мира. У них, безусловно, большое будущее, а возможно, и великое историческое прошлое, запечатленное в висячих садах Семирамиды.

Итак стеклянный капилляр будет иметь более сложную форму, например тонкие отверстия в нем будут чередоваться с утолщениями. Иначе говоря, капилляр будет иметь переменный диаметр. Вода в таком капилляре при его иссушении будет оставаться только в самых узких его участках и располагаться отдельными участками «цепочками» повсейдлиненашегосложногокапилляра(рис.VI.6,а). Вот эти-то разорванные столбики капиллярной воды в трубке, перемежающиеся воздушными пузырьками в овальных утолщениях (их иногда образно называют «четками»), получили название «жаменовскихцепочек»поименифранцузскогоисследователяЖамена(Jamin).

аб

повышенное газовое

Рис. V. 6. Образование водных менисков в капилляре с переменным диаметром («четочный капилляр», или «жаменовские цепочки» (а)). Водные мениски в таком капилляре способны выдержать повышенное газовое или водное давление за счет изменения кривизны во всех менисках (б)

Выдавить воду из такой удивительной трубочки очень тяжело. Можнопопробоватьпридатьдополнительноегазовоедавлениевнее содногоконца.Однакоприэтомвсемениски,обращенныевогнутостью навстречу воздушному давлению, начнут более заметно прогибаться, и менисковые водоудерживающие силы будут еще более возрастать (рис. V.6, б). Вода оказывается «защемленной» в таких «жаменовских цепочках». Можно попробовать добавить сверху в такой капилляр ещеводы, но она не будет внего впитываться, и водное давление выдержат менисковые силы «жаменовских цепочек». Получается, что такого рода «жаменовские цепочки» могут служить водо-и газонепроницаемым (слабопроницаемым) экраном.

Где же в природе можно встретить такие цепочки? Роль овальныхутолщенийвстекляннойтрубкеспособныигратькрупныепоры в песчаной почве, а тонких капилляров поры глинистой почвы с тонкими капиллярами. Если поочередно уложить слои сухой песчаной и суглинистой почв, то в результате мы получим практически непроницаемую водоупорную систему. Такого рода простую конструкцию можно использовать для создания дна водоема, канала, для сохранения влаги в песчаной почве. Природа нередко сама создает их,например,впойменныхпочвах,вэоловыхпесках,вкоторыхиногда задерживается немалое количество влаги. Эффект «жаменовских цепочек»используют при создании различного рода почвенных конструкций, непроницаемых для веществ и воды экранов в почвах, водонакоплении впесчаных почвахзасушливых регионови пр.(см.«К

вопросу о.»: «Висячие сады Семирамиды»).

ствием гравитационных сил. Как отличить капиллярную влагу, присущуюдиапазонуММВ МКСВ откапиллярно-гравитационнойвла- ги? Если почвенную колонкупоместить одним концом в водус уровнем I, то в ее поровом пространстве с порозностью ( ) создастся некотороераспределениевлаги(рис.V.7).Надуровнемводыпоровое пространство почвы будет содержать как капиллярную, так и гравитационнуювлагу,котораябудеткакбыподдерживатьсяуровнемсвободной воды. Именно поэтому эту влагу образно называют капил- лярно-подпертой.Верхняяграницакапиллярно-подпертойвлагибудет соответствоватьположениюкапиллярнойкаймы(КК1).Вышекапиллярной каймы, в поровом пространстве почвенной колонке будет со- держатьсякапиллярно-подвешеннаявлага.Еслижемыопустимуро- вень воды в поддоне (положение II), то капиллярно-подпертая влага опустится вслед за уровнем воды в нижнюю часть нашей почвенной колонки до положения КК2. Большая же часть порового пространства почвы будет заполнена капиллярно-подвешенной влагой, которая соответствует влажности максимальной капиллярно-сорбцион- ной влагоемкости (МКСВ). Влажность почвы в зоне капиллярной каймы соответствует капиллярной влагоемкости (КВ). ЗначениеКВэто «то наибольшее количество подпертой влаги, которое может наблюдаться в почве» (Роде, 1989). Диапазон влаги между капил- лярно-подвешенной и капиллярно подпертой влагой, от МКСВ до КВ, представляет собой количество влаги, соответствующее водоотдаче почвы. Однако для практических целей водоотдачу определяют как разность междуполной влагоемкостью (ПВ) имаксималь- нойкапиллярно-сорбционной илинаименьшейвлагоемкостью(НВ).

Если мы снова посмотримна рис.V.7с почвенной колонкой,то заметим, что влажность в той части колонки, которая целиком находилась в воде, тоже величина постоянная. Она близка к порозности почвы, т.е. соответствует состоянию почвенной влаги, когда практически все поры заполнены водой. Эта величина называется полнойвлагоемкостью,ионатеоретическиравнапорозности,нофактически всегда меньше. Прежде всего за счет так называемого «защемленного воздуха», за счет выделения газов микроорганизмами, адсорбированного воздуха на поверхности почвы и пр. Даже если мы попытаемся отобрать весь этот защемленный воздух, например вакуумируя образец, величины полной влагоемкости и порозности не сравняются. Приблизятся друг к другу, но не сравняются. В суглинистых почвах эта разница может достигать 3 12% к объему почвы. На рис. V.7 значения порозности почвы ( ) и полной влагоемкости (ПВ) также различаются.

Если же сравнить распределение влаги по колонке в зависимостиотположенияуровняводы(положенияIиII),совершенноотчетливо видно,чтоэтираспределенияразличныизависятотположенияуровня свободной воды. Эта зависимость распределения влаги в почве отуровнясвободнойводы,авприродныхусловиях отуровнягрунтовых вод носит название динамической влагоемкости. В этом названии определением «динамическая» подчеркивается зависимость влагоемкости почвы от положения уровня грунтовых вод, а не зависимость этой величины от времени. Динамическая влагоемкость это максимальное количество влаги в почве, которая определяется положением уровня грунтовых вод: чем выше расположен уровень свободнойводывпрофилепочвы,темвышевеличинадинамической влагоемкости. Таким образом, понятие динамическая влагоемкость применимолишьдляпочвсблизкимвпределахпочвенногопрофиля уровнем грунтовых вод, наличием верховодки, плохо фильтрующих прослоек,т.едляпочв,вкоторыхпредставленизменяющийсяпоглубинеуровеньсвободнойвлаги.

Итак, подводя итог изучению форм воды в почве и соответствующихграничных(междуформами)состояний энергетическихконстант, можно сформировать такую итоговую таблицу.

Т а б л и ц а V.1

Формы воды в почве и соответствующие энергетические константы

Все указанные константы явились во многом плодом теоретических рассуждений о формах воды в почве. Основой разделения почвенной влаги на отдельные формы послужили функциональные особенноститойилиинойвлагивпочве.Вспомнитеспособностьрастворять вещества (МАВ) или резко изменять свою подвижность и способность переносить ионы (ММВ). Однако эти размышления и экспериментыпозволилиобосноватьи ряддругихконстант,которые нашлиоченьширокоеприменениевпрактическомпочвоведении,мелиорации, гидрологии и других отраслях. Эти константы получили названиепочвенно-гидрологических.

3.Почвенно-гидрологические константы

Почвенно-гидрологическиеконстанты этонекоторыехарактерные для каждой почвы значения влажности, которые используютприпрактическихрасчетахисравнительныхоценках.Большинство этих констант возникли из практических потребностей и лишь впоследствии стал ясен их физический смысл. Поэтому дадим пока лишь определения каждой, так же как и при знакомстве с влагоемкостями, следуя от самой маленькой (по значению влажности) до полнойвлагоемкости.

Гигроскопическая влажность (ГВ, Wг) влажность почвы,

свойственная образцу в атмосфере лаборатории. Относительная влажностьвоздуха(илиотносительноедавлениепаровводы)влаборатории величина хоть и заметно колеблющаяся, но не сильно изменяющая ГВ. Действительно, посмотрим на кривую сорбции воды почвой (см. рис IV.3). В области от 20 до 60 80% она обычно идет параллельно оси относительных давлений паров (р/p0). Это значит, что влажность не изменяется, она почти константна. Указанный диапазон это влажность воздуха в помещении, поэтому и ГВ дей- ствительнопочвенно-гидрологическаяконстанта.Онанужнадлярас- чета массы абсолютно-сухой навески (mа-с) по данным о массе воздушно-сухой (т.е. в атмосфере лаборатории, mв-с) навески:

ma-c = mв-с/(Wг+1),еслиWг выраженав [г/г]илиma-c = mв-с·100/(Wг+100) при использовании выраженияW в%.

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ, Wмг) влаж-

ность почвы при нахождении ее в атмосфере с относительной влажностью 98%. Это максимальное количество, которое почва способна сорбировать из близкого к насыщенному парами воды воздуха.

Влажность устойчивого завядания, или просто влажность за-

вядания (ВЗ, Wвз), влажность почвы, при которой появляются ус-