Автор: к.б.н. Т.А.Архангельская

I. Организационно-методический раздел

Цель курса: преподать студентам основы современных представлений о тепловом балансе деятельной поверхности и закономерностях протекания процессов теплообмена в почвах.

Задачи курса: познакомить студентов старших курсов с понятийным аппаратом микроклиматологии и физики тепловых явлений в почвах; изучить законы развития тепловых полей в почвах; дать представления о реализации этих законов на практике; освоить методы экспериментального определения и теоретического расчета тепловых характеристик и теплообмена в почве, а также составляющих теплового баланса деятельной поверхности.

Место курса в профессиональной подготовке выпускника: данный спецкурс формирует у студентов представление о роли и месте внутрипочвенного теплообмена в генезисе и современном функционировании различных типов почв.

Требования к уровню освоения содержания курса: после прослушивания курса студент должен иметь представление о тепловых характеристиках различных типов почв и об основных закономерностях формирования и развития температурного поля в почве; уметь оценить величину составляющих теплового баланса деятельной поверхности при различных метеоусловиях; применять полученные знания при проведении тепловой мелиорации почв и при проектировании искусственных почвенных конструкций.

II. Содержание курса

1. Введение. Температура и внутренняя энергия. Скрытое тепло. Теплоемкость. Механизмы переноса тепла. Эмпирический закон Фурье для переноса тепла в однородной среде. Теплопроводность.

2. Теплообмен поверхности почвы. Деятельная поверхность. Поступление солнечной энергии на деятельную поверхность. Прямая радиация. Инсоляция. Рассеянная радиация. Суммарная радиация. Отражение солнечной радиации от деятельной поверхности. Альбедо. Тепловое излучение деятельной поверхности. Парниковый эффект. Встречное излучение атмосферы. Эффективное тепловое излучение. Конвективный теплообмен между почвой и приземным слоем атмосферы. Свободная и вынужденная конвекция. Адвекция воздушных масс. Потери тепла при эвапотранспирации. Поток тепла в почву. Уравнение теплового баланса. Радиационный баланс. Примеры дневного и годового хода прямой радиации, инсоляции, рассеянной радиации, суммарной радиации, радиационного баланса. Радиационный баланс склонов. Влияние температуры и влажности почвы, температуры и влажности приземного слоя воздуха, скорости ветра на составляющие теплового баланса. Влияние растительности на теплообмен поверхности почвы. Примеры.

Приборы для проведения актинометрических измерений. Актинометр. Пиранометр. Балансомер.

Мелиоративные мероприятия, направленные на оптимизацию теплообмена деятельной поверхности с прилегающим слоем воздуха: окраска поверхности, использование стеклянных рам, полимерной пленки, кулис, гребневание, террасирование склонов, орошение. Энергетический баланс теплиц.

3. Теплоемкость почвы. Аддитивный характер теплоемкости. Увеличение объемной теплоемкости сухой почвы с увеличением плотности. Теплоемкость минеральных и органических почвенных компонент, воды и льда. Теплоемкость связанной воды. Теплота смачивания – мера гидрофильности почвы. Рост теплоемкости с температурой. Расчет теплоемкости сухой почвы по содержанию органического вещества. Формулы расчета теплоемкости влажной почвы через весовую и объемную влажность. Калориметрический способ определения теплоемкости. Эффективная теплоемкость почвы при фазовых переходах.

4. Перенос тепла в почве. Механизмы переноса тепла в почве: кондукция, конвекция, перенос скрытого тепла, тепловое излучение. Относительная роль различных механизмов для глубинных и приповерхностного слоев почвы. Закон Фурье в применении к почвам. Коэффициент теплопроводности почвы. Коэффициенты теплопроводности минеральных и органических почвенных компонент, воды и льда. Неаддитивный характер теплопроводности. Нелинейная зависимость теплопроводности почвы от влажности. Влияние плотности на теплопроводность почвы. Теплопроводность почв различного гранулометрического состава. Примеры. Методы измерения потоков тепла в почве. Термопара. Тепломер.

Мелиоративные приемы оптимизации теплообмена в верхнем слое почвы: мульчирование, рыхление, прикатывание, минерализация, орошение.

5. Уравнение теплопроводности. Уравнение неразрывности - частный случай закона сохранения энергии. Источники и стоки тепла; их плотность. Вывод уравнения теплопроводности в общем виде. Уравнение теплопроводности для однородной по глубине почвы в отсутствие источников и стоков тепла. Коэффициент температуропроводности. Коэффициенты температуропроводности минеральных и органических почвенных компонент, воды и льда. Зависимость температуропроводности почвы от ее плотности и влажности. Изменение температуропроводности в почвенном профиле. Примеры.

Начальные условия. Краевые условия 1, 2 и 3 рода. Решение уравнения теплопроводности для стационарного распределения температуры: а) для однородной колонки и б) для двуслойной колонки. Формулировка задачи распространения тепла в двуслойной почве.

Методы определения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности. Метод регулярного режима (метод Кондратьева). Зондовые методы: метод плоской пластины; метод шарового зонда.

6. Температурные волны в почве. Цикличность поступления солнечной энергии на деятельную поверхность и вынужденный характер колебаний температуры почвы. Годовые и суточные колебания температуры. Пример. Годовая динамика температуры почвы в Москве (с/х академия). Среднегодовая температура почвы для различных глубин. Сезонные изменения температурного градиента в почвенном профиле.

Описание колебаний температуры почвы синусоидальной зависимостью. Задача о распространении температурных волн в однородном почвенном профиле. Изменение параметров колебаний температуры с глубиной: затухание амплитуды, фазовый сдвиг. 1-й, 2-й и 3-й законы Фурье для температурных волн. Определение коэффициента температуропроводности почвы по затуханию амплитуды колебаний температуры с глубиной.

Глубина затухания и время запаздывания максимумов годовых и суточных колебаний температуры в различных почвах. Влияние растительности на температурный режим почвы. Методы измерения температуры почвы. Почвенные электротермометры. Радиационные термометры.

7. Элементы численных методов. Изменчивость свойств почвы в профиле и во времени. Примеры. Отклонения внешних условий от гармонического закона. Примеры. Численные методы. Сеточные функции. Квазистационарность и квазиоднородность. Конечно-разностная форма уравнений Фурье, неразрывности и теплопроводности. Явная схема. Неявная схема. Чувствительность решения к шагу по времени и по глубине. Пример расчета температуры почвы по данным о температуре ее поверхности. Обратная задача: вычисление коэфициента температуропроводности почвы по данным о динамике температуры в почвенном профиле.

8. Термоперенос почвенной влаги. Изменение потенциала почвенной влаги с температурой. Механизмы термопереноса почвенной влаги: пародиффузионный, капиллярный, пленочный. Зависимость интенсивности термопереноса влаги от плотности и влажности почвы. Внутрипоровый температурный градиент и его соотношение с внутрипочвенным температурным градиентом.

9. Промерзание почвы. Фазовые переходы при промерзании почвы. Нулевая завеса. Морозные почвы. Переохлаждение воды в почвах. Четыре стадии формирования сезонного промерзания. Влияние влажности почвы на глубину промерзания.

Принцип равновесного состояния воды в мерзлых грунтах. Термоперенос почвенной влаги при промерзании. Зимнее подтягивание влаги из глубинных слоев почвы и накопление ее в приповерхностном слое. Примеры. Скачок потенциала почвенной влаги на границе между мерзлым и талым слоями. Формирование слоистой и сетчатой криогенной текстуры. Криогенное агрегирование. Сегрегация растворенных веществ при промерзании почвы.

Изменение объема почвы при промерзании и образование морозобойных трещин. Водопроницаемость мерзлых почв. Протаивание почвы. Конвективный перенос тепла при протаивании. Теплопроводность снега. Влияние снежного покрова на температурный и водный режимы почвы.

Формулировка задачи Стефана о промерзании-протаивании почвы. Приближенное решение для глубины промерзания почвы при постоянной температуре поверхности.

Методы измерения глубины промерзания почвы. Мерзлотомер Данилина.

Снежные мелиорации. Снегозадержание, снегонакопление, снегопахота.

10. Заключение. Температура почвы как фактор функционирования почвенного покрова. Климатическое районирование. Генезис почв и его связь с почвенным климатом.

Примерный перечень контрольных вопросов для самостоятельной работы и зачета: Сравните прозрачность атмосферы для видимого света и теплового излучения инфракрасного диапазона. Есть ли разница в поступлении на склоны северной и южной экспозиции (а) прямой солнечной радиации? (б) рассеянной солнечной радиации? Почему скрытое тепло называется скрытым и как именно осуществляется его перенос в почве? Как структура почвы влияет на ее теплопроводность? Как работают механизмы термопереноса почвенной влаги? Влияет ли скорость промерзания почвы на формирование криогенной текстуры? Из каких соображений выбирают глубины установки термометров и интервал между измерениями для вычисления коэфициента температуропроводности почвы по данным о динамике температуры почвы?

III. Распределение часов курса по темам и видам работ

Лекционный курс 24 часа

IV. Форма итогового контроля - зачет

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Основная литература

  1. Вершинин П.В., Мельникова М.К., Мичурин Б.Н., Мошков Б.С., Поясов Н.П., Чудновский А.Ф. Основы агрофизики. М., Физматгиз, 1959. 903 с.
  2. Воронин А.Д. Основы физики почв. М., Изд-во МГУ, 1986. 244 с.
  3. Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР. М., Колос, 1972. 360 с.
  4. Павлов А.В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР. Якутск, 1975. 302 с.
  5. Слейтер Р., Макилрой И. Практическая микроклиматология. М., 1964. 308 с.
  6. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М., 1966. 724 с.
  7. Физика среды обитания растений. Л., Гидрометеоиздат, 1968. 304 с.
  8. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М., Изд-во МГУ, 1994. 520 с.
  9. Шкадова А.К. Температурный режим почв на территории СССР. Л., 1979. 240 с.
  10. Шульгин А.М. Климат почв и его регулирование. Л. Гидрометеоиздат, 1967. 2-е изд.: 1972. 341 с.

Рецензент: профессор, д.б.н. М.А.Мазиров, директор ВНИИСХ РАСХН