4.4 Розповсюдження тепла у глибину ґрунту

Добові та річні коливання температури поверхні ґрунту поступово розповсюджуються у глибші його шари. До розповсюдження тепла у ґрунті застосовується загальна теорія молекулярної теплопровідності, що була розроблена Фур’є, тому закони поширення тепла у ґрунті називаються законами Фур’є. Спостереження підтверджують, що фактичне розповсюдження тепла у ґрунті досить близько відповідає цими законами.

1. Період коливання температури не змінюється з глибиною незалежно від типу ґрунту. Це означає, що не лише на поверхні ґрунту, але й на глибинах залишається добова зміна з періодом 24 год. і річна з періодом 12 місяців, тобто інтервал часу між двома послідовними мінімумами і максимумами в середньому той самий.

2. Збільшення глибини в арифметичній прогресії супроводиться зменшенням амплітуди в геометричній прогресії. Так, якщо на поверхні ґрунту добова амплітуда дорівнює 16⁰С, то на глибині 20см вона становить 4⁰С, на глибині 40 см – 1⁰С, на глибині 60 см – 0,25⁰С. На деякій глибині добова амплітуда зменшується до 0⁰С, тобто коливання температури припиняється. Шар ґрунту, в якому температура залишається постійною протягом доби, називається шаром постійної добової температури. Цей шар грунту розташований на глибині близько 70-100 см. Лише у сухому торф’яному грунті, де дуже малий коефіцієнт температуропровідносі, добові коливання температури проникають лише до глибини 25 см.

Амплітуда річного коливання температури поступово зменшується з глибиною за тим самим законом. Але річні коливання розповсюджуються до більшої глибини. Амплітуда річного коливання температури грунту зменшується до нуля на глибині близько 30 м у полярних широтах, близько 15-20 м у помірних широтах і близько 10 м у тропіках. Шар грунту, в якому температура не змінюється протягом року, називається шаром постійної річної температури.

3. За третім законом Фур’є строки настання максимальних і мінімальних температур протягом доби і протягом року запізнюються з глибиною прямо пропорційно їй. Добові максимуми і мінімуми запізнюються на кожні 10 см на 2,5 – 3,5 години, а річні – на кожен метр глибини на 20-30 днів. Так, коли мінімальна температура на поверхні грунту буде о 6⁰⁰, а максимальна о13⁰⁰, то на глибині 10 см мінімум буде о 9⁰⁰, а максимум о 16⁰⁰. Якщо річний мінімум на поверхні спостерігається в січні, а максимум у липні, то на глибині 2 м мінімум буде у березні, а максимум у вересні.

4. Глибини шарів постійної добової та річної температури відносяться між собою як квадратні корені з періодів коливання

£₁/£₂ = √Т₁/Т₂ = √1/365 = 1/19

тобто глибина, на якій затухають річні коливання температури в середньому в 19 разів більша, ніж глибина затухання добових коливань температури.

Неоднорідність складу та структури ґрунту вносять деякі ускладнення в розподілі температури. Крім того, тепло проникає в грунт разом з водою атмосферних опадів, а це не підкоряється законам молекулярної теплопровідності.

Розподіл температури ґрунту на різних глибинах протягом доби чи року в даному місці можна зобразити за допомогою графіка термоізоплет (мал. 4.4).

Н

Мал.. 4.4. Термоізоплети річного ходу температури грунту в Києві.

а осі абсцис наносять час, коли мова йде про добовий хід температури, або місяці, коли мова йде про річний хід температури, на осі ординат - глибина. На графік наносять середні значення температури на різних глибинах кожної години чи місяця. Інтерполюючи, плавними лініями з’єднуються точки з однаковою температурою, одержують термоізоплети.