Изменение температуры почвы с глубиной

Распределение температуры почвы с глубиной зависит от времени суток и года. Различают два типа вертикального распределения температуры почвы:

1. тип инсоляции;

2. тип излучения.

При типе инсоляции температура с глубиной понижается, а при типе излучения – повышается. Тип инсоляции характерен для тех промежутков времени, когда радиационный баланс положительный, а тип излучения характерен для промежутков времени, когда радиационный баланс отрицательный.

В умеренных широтах летом тип инсоляции наблюдается днем, а тип излучения – ночью. Вечером, если происходит радиационное охлаждение поверхности почвы, то температура верхних ее слоев начинает повышаться с глубиной, а в ниже лежащих слоях еще сохраняется дневное распределение, то есть уменьшение температуры с глубиной. В результате на некоторой глубине создается теплый слой, от которого температура убывает как вниз, так и к поверхности почвы. Утром верхний слой почвы прогревается, температура в нем начинает убывать с глубиной, а в более глубоких слоях еще сохраняется ночное распределение, то есть увеличение температуры с глубиной. Таким образом, утром имеет место распределение температуры, обратное вечернему: на некоторой глубине создается холодный слой, от которого температура повышается как вниз, так и к поверхности почвы.

Р исунок 2.2 - Термоизоплеты почвы

На температуру почвы влияет растительный и снежный покров. Днем растительный покров затеняет поверхность почвы от солнечной радиации. Ночью он уменьшает радиационное охлаждение почвы. Кроме того, растительность тратит много тепла на испарение. Поэтому, почвы без растительности летом в дневные часы нагреваются сильнее почвы с растительностью. Снежный покров благодаря своей маленькой температуропроводности защищает поверхность почвы от сильного переохлаждения. На тепловой режим почвы в некоторой степени влияют жидкие осадки. Дождь, просачиваясь в почву, выравнивает температуру вышележащих и нижележащих слоев почвы.

Нагревание и охлаждение водоемов

Вода, в отличие от почвы, для прямой и рассеянной солнечной радиации является прозрачным телом, и потому коротковолновая лучистая энергия проникает в воду на довольно значительную глубину (в зависимости от прозрачности воды от 10 до 100 м), и радиационное нагревание их происходит в слое воды толщиной несколько метров.

Второе отличие состоит в том, что объемная теплоемкость воды приблизительно в 2 разы больше теплоемкости почвы, и по этой причине для достижения ими одной и той же температуры вода должна получить больше тепла, чем почва. Если же к воде и к почве поступает одинаковое количество тепла, или же они отдают одинаковое количество тепла, то температура воды изменится на меньшую величину, чем температура почвы.

В-третьих, в почве тепло передается по вертикали путем молекулярной теплопроводности, а в легко движущейся воде передача тепла по вертикали осуществляется в результате более активного процесса - турбулентного перемешивания слоев воды, из-за чего происходит интенсивный обмен физико-химических свойств между этими слоями. Турбулентность в водоемах обусловлена волнением и разными скоростями течений водных масс, а также термической конвекцией, а в морях - конвекцией, вызванной разностью солености водных слоев. Турбулентное перемешивание в водоемах предопределяет:

1. перенесение тепла вглубь водоемов в 1000-10000 раз больше, чем перенесение его в почве;

2. быстрое выравнивание температур между слоями воды;

3. нагревание и охлаждение водных бассейнов до значительно больших глубин;

4. более медленное, чем в почве, изменение температуры поверхности водоемов, и на величину меньшую, чем изменение температуры на поверхности почвы.

Поверхностный слой воды, как и почвы, хорошо поглощает инфракрасную радиацию. Условия поглощения и отображения длинноволновой радиации в водных бассейнах и в почве отличаются мало. Иначе отстоит дело с коротковолновой радиацией. Короткие волны, в особенности фиолетовые и ультрафиолетовые, проникают в воду на довольно значительную глубину и радиационное нагревание происходит в слое воды толщиной несколько метров.

Расхождения теплового режима водоемов и почв вызываются следующими причинами:

- теплоемкость воды в 3-4 раза больше теплоемкости почвы. Поэтому, для одинакового их нагревания вода должна получить больше тепло, чем почва. Если к воде и к почве поступит одинаковое количество тепла, то температура воды измениться меньше;

- частицы воды имеют большую подвижность. Поэтому, в водоемах передача тепла внутрь воды происходит не путем молекулярной теплопроводности, как в почве, а в результате более интенсивного процесса – турбулентного перемешивания.

Между поверхностными и нижележащими слоями почвы и воды постоянно происходит теплообмен. Поток тепла в почве или водоеме приблизительно выражается формулой:

,

где t₂ и t₁ – температура на глубинах z₁ и z₂;

λ – коэффициент теплопроводности.

В системе СИ поток тепла выражается в Вт/м².