Лекція 3. Температурний режим ґрунту План

1. Процеси нагрівання та охолодження ґрунту.

2. Теплофізичні характеристики ґрунту.

3. Добовий та річний хід температури ґрунту.

4. Залежність температури грунту від рельєфу, рослинності та снігового покриву.

5. Замерзання та відтаювання грунту. Вічна мерзлота.

6. Екологічне значення температурного режиму грунту.

1. Процеси нагрівання та охолодження грунту

Сонячна радіація, поглинаєма поверхнею суші, перетворюється у тепло. Частина цього тепла використовується на нагрівання приземного шару атмосфери, рослин, випаровування води, передається в нижні шари атмосфери. Оскільки прихід сонячної радіації різний на протязі доби та року, то температура грунту також змінюється і іноді в дуже широких межах.

Температурний режим земної поверхні в основному обумовлюється радіаційним балансом, тобто залежить вид приходу сонячної радіації, величини альбедо та ефективного випромінювання. При позитивному радіаційному балансі верхній шар грунту нагрівається. При цьому частина тепла, поглинаєма цим шаром, віддається атмосфері, друга частина витрачається на випаровування, а якась кількість передається в глибину грунту. Якщо радіаційний баланс від’ємний, то верхній шар грунту охолоджується і тоді тепло з глибини грунту поступає до її поверхні. Це викликає охолодження в глибині грунту.

Для процесів нагрівання та охолодження грунту велике значення мають випаровування і конденсація водяної пари на її поверхні. При конденсації виділяється тепло, яке нагріває грунт, а на випаровування тепло витрачається, тому проходить охолодження грунту.

Розглянемо тепловий баланс верхнього шару грунту. Під тепловим балансом грунту приймають прихід і витрати тепла груном:

ТS + ТD + Тхім. + Татм. + Тз + Ткон. = ТR + Твип. + Тпов. + Твипр. + Тгл.

Т_S – тепло від потоків прямої сонячної радіації;

Т_D – тепло від потоків розсіяної радіації;

Т_хім. – тепло, отримане грунтом за рахунок екзогенних хімічних реакцій;

Т_атм – тепло, яке надходить з атмосфери;

Т_з – тепло, яке надходить з глибини Землі;

Т_кон – тепло, отримане грунтом при конденсації пароподібної вологи в грунтових порах;

Т_R – тепло, яке втрачається з відбитою сонячною радіацією;

Т_вип. – тепло, яке використовується на випаровування;

Т_пов – тепло, яке використовується на нагрівання приземного шару повітря;

Т_випр. – Тепло, яке випромінюється грунтом;

Т_гл – тепло, яке надходить в глибини Землі.

Кількість тепла відповідно статтям детального теплового балансу досить мінлива, вона залежить не тільки від властивостей грунту, але головним чином від складних режимів, які впливають на тепловий баланс.

В метеорології надходження і витрати тепла на земній поверхні розглядаються з позиції головного джерела теплової енергії – сонячної радіації. Це рівняння складається із слідуючих складових частин; радіаційні потоки тепла, алгебраїчна сума яких складає радіаційний баланс В; турбулентний потік перемішування та перенесення тепла між земною поверхнею та атмосферою Р; молекулярна теплота, що передається в глибинні шари грунту А; витрати тепла на випаровування LE , де L – теплота пароутворення (біля 600 кал/г), Е – швидкість випаровування. Спрощене рівняння теплового балансу грунту має вигляд:

В = LЕ + Р + А

Співвідношення між членами правої частини рівняння теплового балансу характеризує розпреділення тепла, отриманого земною поверхнею при позитивному радіаційнім балансі на нагрівання грунту, приземного шару атмосфери і на випаровування. На грунтах з надмірною вологою затрати тепла на випаровування більші, ніж на нагрівання грунту та повітря. Якщо в грунті мало вологи, то радіаційне тепло витрачається в основному на нагрівання грунту, рослин та повітря. Складові частини теплового балансу земної поверхні в значній мірі впливають на температурний режим грунту.

Літнього дня в середніх широтах тепловий баланс грунту має позитивне значення, вночі він від’ємний, що пов’язано з відповідною зміною температури грунту.

Між поверхнею грунту та її глибинними шарами проходить безперервний обмін теплом. Передача тепла в грунті проходить в основному за рахунок молекулярної теплопровідності. Потік тепла, який направлений від поверхні до глибинних шарів, характерний для періодів, коли поверхня грунту тепліша ніж глибинні шари ( вдень, влітку). Цей тип розпреділення температури в грунті називають типом інсоляції. Він визначається перевищенням надходження радіації над її витратами (позитивний радіаційний баланс). Якщо поверхня грунту холодніша за глибині шари тепло направляється з глибини на поверхню. Такий тип розпреділення температури в грунті називається

Він спостерігається при від’ємному балансі (взимку, вночі).

Нагрівання та охолодження грунту залежить від його теплофізичних характеристик.

2. Теплофізичні характеристики грунту.

Тепловий режим грунту залежить від її теплоємності та теплопровідності.

Теплоємність грунту. Розрізняють об’ємну (С_об) та питому теплоємність (С_пит). Питома теплоємність – це кількість тепла, яке потрібно витратити при нагрівання 1 кг грунту на 1 К (виражається в Дж/(кг ∙ К).

Об’ємна теплоємність – це кількість тепла, яке потрібно витратити при нагрівання 1 м³ грунту на 1 К (виражається в Дж/ м³ ∙ К). Між питомою та об’ємною теплоємністю існує залежність:

Соб = Спит ∙ d

d – щільність грунту, г/см³.

Теплоємність різних компонентів грунту приведена в таблиці 12.

Таблиця 12.

Теплоємність складових частин ґрунту

Складові частини грунту	Теплоємність
	Питома, Дж/кг	Об’ємна, Дж/м3
Пісок і глина Торф Грунтове повітря Грунтова вода	753,6-963,0 2009,7 1004,8 4186,8	2,05-2,43 2,51 0,0013 4,19

Сухий грунт у середньому має питому теплоємність 0,000015 Дж/ кг∙К, об’ємну – 0,0060-0,0090 Дж/ см³ ∙ К. Вода і грунтове повітря також входять до складу грунту. Якщо об’ємна теплоємність повітря мала, то води - досить велика і становить 0,015 Дж/ м³ ∙ К. Тому вміст води у грунті підвищує його об’ємну теплоємність.

З даних таблиці 13 можна зробити висновок, що збільшення вологості грунту підвищує його об’ємну теплоємність.

Вологі грунти повільніше охолоджуються та нагріваються. Тому навесні глинисті грунти холодніше за піщані на 1 - 1,5⁰С і на стільки ж тепліші восени.

Таблиця 13.

Об’ємна теплоємність різних типів грунтів Дж/м³ ∙ К

Тип грунту за механічним складом	Вологість грунту, % найменшої вологоємності
	0	20	50	80	100
Піщаний Глинистий Торф’яний	0,0045 0,0036 0,0032	0,0058 0,0054 0,0045	0,0077 0,0080 0,0079	0,0095 0,0106 0,0112	0,0107 0,0123 0,0135

Теплопровідність грунту. Здатність грунту передавати тепло від нагрітих шарів до холодніших називають теплопровідністю грунту. Для її вимірювання застосовується коефіцієнт теплопровідності. Це кількість тепла, яке проходить за 1 с через шар грунту площею 1 см² і завтовшки 1 см при різниці температури в 1 К (Дж/см³ ∙ с ∙ К).

Теплопровідність грунту звичайно низька і залежить від його фізичних властивостей (вологості, пористості). Чим вологіший грунт, тим вища його теплопровідність. Із збільшенням пористості грунту теплопровідність знижується. Тому вдень сухіший шар грунту прогрівається сильніше, ніж вологий, що залягає глибше.

Важливе значення має швидкість передачі тепла на глибину грунту. Для вивчення цієї залежності вводиться значення температуропровідності. Це величина, що показує, на скільки градусів підвищилась температура суміжного шару грунту за одиницю часу в результаті надходження певної кількості тепла:

К = М : Соб.

К – температуропроводність грунту;

М – теплопровідність грунту;

С_об – об’ємна теплопровідність грунту.

Отже, теплоємність, теплопровідність, температуропроводність значно залежать від вологості грунту та об’єму повітря в ньому (табл. 14).

Таблиця 14.

Залежність температурного режиму грунту від його вологості

Теплофізичні характеристики грунту	Вологість грунту, %
	2,0	7,0	11,5	20,5
Об’ємна теплоємність, Дж/м3 К Теплопроводність, Дж/см3 с К	0,0051 0,000097	0,0063 0,000017	0,0074 0,000022	0,0095 0,000038

Температурний режим грунту залежить від таких факторів:

∆ механічний склад грунту, структура грунту, пухкий грунт з меншою об’ємною масою має нижчу теплопровідність ніж щільний;

∆ експозиція схилу (прогрівання південних схилів);

∆ рослинний покрив (рослинність вдень захищає грунт від нагрівання, тому температура грунту вкритого рослинністю менша, ніж температура оголеного грунту, рослини використовують вологу грунту, висушуючи його і зменшуючи теплоємність;

∆ сніговий покрив (сніг слабкий провідник тепла, особливо розсипчастий і тому сніг взимку виконує функції теплоізолятора).

3. Добовий та річний хід температури грунту

Спостереження за температурою поверхні грунту і температурою на різні глибині проводяться на деяких метеорологічних станціях понад 100 років. Обробка цих даних дозволила встановити закономірності зміни температури грунту на протязі доби та року.

Зміни температури грунту на протязі доби називають добовим ходом температур. Добовий хід температур зазвичай має один мінімум (до сходу Сонця, коли радіаційний баланс від’ємний, обмін теплом між грунтом та повітрям незначний) та один максимум ( біля 13 години ).

В окремі дні вказаний хід може порушуватись під впливом хмарності, опадів та іншими факторами. Добре виражений і правильний добовий хід спостерігається в теплу пору року при ясні погоді.

Таблиця 15.

Середній час настання максимальної і мінімальної температури грунту в добовому ході (червень)

Глибина, см	Час настання температури (год. хв.)		Амплітуда коливання, 0С
	Мінімум	Максимум
Метеостанція Нукус (континентальна пустиня)
0	4/20//	12/45//	40,3
5	5/30//	16/30//	15,3
10	6/25//	18/10//	11,1
20	9/36//		5,0
Метеостанція Ленінград (тайгова зона)
0	3/24//	13/12//	14,3
20	8/06//	18/12//	2,7
40	12/48//	23/42//	1,0
80	19/00//	7/00//	0,2

Зміни температури грунту на протязі року називають річним ходом. Зазвичай графік річного ходу температур будується за середньомісячними даними. Річний хід температури поверхні грунту визначається приходом сонячної радіації на протязі року. Максимальні середньо місячні дані в нашій зоні спостерігаються в липні, коли приток тепла найбільший, а мінімальні в січні-лютому. Сніговий покрив може дещо змінювати настання мінімуму.

Різниця між максимумом та мінімумом називається амплітудою.

Фактори, які впливають на амплітуду добового та річного ходу температури грунту.

∆ пора року (літом амплітуди найбільші);

∆ географічна широта (амплітуда пов’язана з полуденною висотою Сонця, Яка збільшується від полюса до екватора, в полярних широтах амплітуда незначна, а в тропічних сягає 50-60⁰С;

∆ рельєф місцевості (південні схили нагріваються більше ніж північні, а західні трошки більше ніж східні);

∆ стан підстилаючої поверхні – рослинність, сніговий покрив зменшують амплітуду;

∆ теплофізичні характеристики грунту (амплітуда знаходиться в зворотній залежності від теплоємності та теплопровідності);

∆ альбедо поверхневого шару, яке залежить від кольору грунту (сухі та пухкі грунти мають більшу амплітуду, ніж поверхні вологих та щільних грунтів);

∆ хмарність (в хмарну погоду амплітуда менше ніж в ясну).

Таблиця 16.

Річні амплітуди температури грунту, ⁰С.

Метеостанція	Покрив Грунту	Глибина, м
		0,2	0,4	0,8	1,6	3,2
Одеса	Природній Оголена поверхня	22,2 -	20,5 27,4	16,9 21,0	13,1 15,6	7,3 8,0
Кировоград	Целина Чорний пар (сніг)	19,0 24,4	19,3 23,3	17,3 21,1	13,5 15,8	- -
Згуровка	Природній Чорний пар (сніг)	20,7 24,7	19,5 23,7	17,0 19,4	13,4 -	- -

На амплітуду річного ходу температур впливають ті самі фактори, крім порі року. Амплітуда річного ходу, на відміну від добового, зростає із збільшенням широти. В екваторіальні зоні вона складає 2-3 ⁰С, а в полярних широтах материків перевищує 70⁰С (Якутія).

Амплітуда річного ходу оголеної поверхні більша, ніж поверхні, вкритої рослинністю або снігом.

Термоізоплети. Матеріали багаторічних спостережень на різних глибинах можуть бути представленні графічно. На такому графіку пов’язуються температура грунту глибина та час. Для побудови графіку на вертикальні осі відкладають глибину, а на горизонтальну – час, зазвичай місяці. На графік наносять середньомісячну температуру грунту на різних глибинах , а потім точки з однаковою температурою з’єднують між собою кривими лініями – термоізоплетами. Термоізоплети дають повну уяву про температуру активного шару грунту на різних глибинах на кожен місяць. Використовують ці графіки для визначення глибини проникнення критичних температур, які пошкоджують кореневу систему плодових дерев, в комунальному господарстві, в промисловому та дорожньому будівництві, при меліорації.

4. Залежність температури грунту від рельєфу, рослинності та снігового покриву

Рельєф сильно впливає на температурний режим грунту, Ступень нагрівання та охолодження грунту в значній мірі залежить від форми рельєфу, експозиції та крутизни схилів. В порівняні з горизонтально розташованими ділянками південні схили отримують більше тепла (північна півкуля), а північні менше. На південні півкулі залежність обернена.

Західні схили при інших рівних умовах тепліше ніж східні ( частина тепла ранком витрачається на випаровування роси з підстилаючої поверхні, а на західних схилах, які освітлюються після полудня роси вже немає).

Таблиця 17.

Середня температура грунту на глибині 80 см в залежності від експозиції схилу.

Експозиція	Зима	Літо	Рік
Північ Півн.-Сх. Схід Півд.-Сх. Південь Півд.-Зах. Захід Півн.-Сх. Середне	4,2 4,4 4,0 5,1 5,3 6,6 5,5 4,5 5,0	15,3 17,0 18,6 19,7 19,3 18,8 18,5 16,0 17,8	9,5 10,6 11,3 12,6 12,6 12,7 12,2 10,2 11,5

Результати трьохрічних спостережень температури грунту на глибині 80 см в Альпах на різних схилах показують велику різницю в їх температурі (табл. 17). В середньому різниця між північним та південним схилом навіть на глибині 80 см становила 3,1⁰С. На менших глибинах ця різниця ще більша. Оголений грунт на схилах прогрівається сильніше, чим покритий рослинністю. Рослинний покрив затіняє поверхню грунту, поглинаючи значну частину сонячної радіації, але разом з тим він зменшує охолодження грунту, яке викликається ефективним випромінюванням. Взагалі грунт під рослинним покривом влітку холодніший, а влітку тепліший. Під паром орний шар грунту влітку на 5-6⁰С тепліше, ніж під польовими культурами. Особливо впливає на температуру грунту ліс (середня річна температура на глибині 1 м в лісі нижча, ніж в полі). Літом грунт в лісі на глибині 20 см холодніше на 5 – 6 ⁰С, ніж в полі. Вплив рослинності на температуру грунту наведений в таблиці 18.

Тепловий режим грунту в значній мірі залежить від стану снігового покриву (щільність, висота, тривалість). Теплопровідність снігу дуже мала, це значно змінює теплообмін між грунтом та повітрям (табл 18).. Таким чином сніговий покрив запобігає глибокому промерзанню грунту та різкому коливанню температур.

Таблиця 18.

Різниця температур грунту південного та північного схилу на глибині 10 см в липні (крутизна схилу 20-22⁰)

Поверхня грунту	Години
	10	12	14	16
Оголена Вкрита травою	8,4 3,2	11,8 4,3	16,1 6,2	15,7 7,4

Захисна дія снігу особливо важлива для озимих культур, багаторічних трав та плодово-ягідних культур. Температура грунту на глибині 3 см (глибина вузла кущення) в залежності від висоти снігового покриву може змінюватись в великих межах.

Таблиця 19.

Вплив снігового покриву на глибину промерзання грунту. (метеостанція Барнаул)

Висота снігового покрову, см	8	12	34	52
Глибина промерзання, см	150	120	91	75

Максимальна глибина промерзання грунту є неоднаковою в різних зонах. На Поліссі України максимальна глибина промерзання спостерігається в кінці зими і на початку весни, на півдні максимальна глибина промерзання спостерігається в січні.