Автор: к.б.н. Т.А.Архангельская

I. Организационно-методический раздел

Цель курса: преподать студентам основы современных представлений о закономерностях протекания криогенных процессов в почвах и проявлении почвенного криогенеза на микро-, мезо-, и макроуровнях.

Задачи курса: познакомить студентов с физическими основами педокриогенеза; изучить закономерности промерзания и протаивания различных типов почв; освоить методы расчета глубины промерзания почвы.

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

Требования к уровню освоения содержания курса: после прослушивания курса студент должен иметь представление о проявлении почвенного криогенеза на различных уровнях организации почвы.

II. Содержание курса

1. Введение. Криогенные процессы в почвах умеренных широт. Почвенный криогенез. Катастрофические процессы при снеготаянии и их роль в годовом цикле функционирования почвенного покрова.

2. Промерзание почвы. Фазовые переходы при промерзании почвы. Скрытая теплота льдообразования. Нулевая завеса. Морозные почвы. Физические свойства мерзлых почв. Плотность, порозность, льдистость. Стадии формирования сезонного промерзания. Влияние влажности почвы на глубину промерзания. Влияние снежного покрова и растительности на промерзание почвы. Методы измерения глубины промерзания почвы. Мерзлотомер Данилина. Снежные мелиорации. Снегозадержание, снегонакопление, снегопахота.

3. Поведение влаги в промерзающих почвах. Переохлаждение воды в почвах. Фазовый состав почвенной влаги при промерзании. Принцип равновесного состояния воды в мерзлых грунтах. Температура кристаллизации различных категорий почвенной влаги. Изменение потенциала почвенной влаги с температурой. Механизмы термопереноса почвенной влаги: пародиффузионный, капиллярный, пленочный. Зависимость интенсивности термопереноса влаги от плотности и влажности почвы. Термоперенос почвенной влаги при промерзании. Скачок потенциала почвенной влаги на границе между мерзлым и талым слоями. Зимнее подтягивание влаги из глубинных слоев почвы и накопление ее в приповерхностном слое. Примеры. Водопроницаемость мерзлых почв. Протаивание грунтов. Конвективный перенос тепла при протаивании.

4. Перенос тепла в почвах при промерзании. Температура и внутренняя энергия. Теплоемкость почвенных компонент, воды и льда. Зависимость теплоемкости от числа степеней свободы. Теплоемкость связанной воды. Фазовые переходы. Эффективная теплоемкость. Аддитивный характер теплоемкости. Расчет теплоемкости сухой почвы по содержанию органического вещества. Формулы расчета теплоемкости влажной почвы через весовую и объемную влажность.

Механизмы переноса тепла в почве: кондукция, конвекция, перенос скрытого тепла, излучение. Эмпирический закон Фурье для потока тепла в однородной среде. Коэффициент теплопроводности. Коэффициенты теплопроводности почвенных компонент, воды и льда. Зависимость теплопроводности почвы от влажности. Уравнение неразрывности - частный случай закона сохранения энергии. Источники и стоки тепла; их плотность. Вывод уравнения теплопроводности в общем виде. Коэффициенты температуропроводности почвенных компонент, воды и льда. Зависимость коэффициента температуропроводности почвы от плотности и влажности. Тепловые свойства мерзлых почв. Изменчивость тепловых характеристик промерзающих-протаивающих почв в годовом цикле.

5. Геокриологический расчет естественного теплового режима промерзающей почвы с учетом взаимодействия с атмосферой и поверхностным покровом. Классическая постановка задачи о промерзании-протаивании почвы (задача Стефана) и ее приближенные решения. Приближенные расчеты промерзания почвы под снежным покровом и термоизоляционными покрытиями. Приближенные расчеты средней годовой температуры почвы.

6. Внутригодовые изменения составляющих теплообмена почвы с атмосферой в естественных условиях. Теплообмен земной поверхности с приземным слоем атмосферы. Зональность его составляющих. Примеры. Теплобалансовые условия формирования процессов промерзания-протаивания почвы. Тепловой баланс сезоннопромерзающих почв (Подмосковье). Тепловой баланс сезоннопротаивающих почв в районах с неустойчивой криолитозоной. Тепловой баланс сезоннопротаивающих почв в районах с устойчивой.

7. Температурный режим почв криогенных территорий. Энергетика почвообразования. Теплопотери при криогенезе и их зональность. Глубина проникновения годовой температурной волны для различных типов почв. Отепляющее влияние снежного покрова. «Консервирующая» роль снега весной. Влияние снежного покрова на водный режим почвы. Температурный режим сезоннопромерзающих и сезоннопротаивающих почв (Подмосковье, Енисейский Север, Ц. Якутия).

8. Особенности формирования гидротермического режима почв в области распространения вечной мерзлоты. Мерзлотные почвы. Холодные почвы. Криогидроморфные и криоаридные почвы – почвы затрудненного и свободного дренажа. Роль экспозиции склонов. Примеры: Северо-Восточное Забайкалье. Температурный режим мерзлотных подзолистых иллювиально-железистых почв (склоны северной экспозиции). Температурный режим холодных дерново-таежных почв (склоны южной экспозиции). Температурный режим мерзлотно-таежных торфянисто-глеевых почв (нижние части склонов, предгорные террасы). Связь генетических особенностей почв с их температурным режимом.

9. Физико-химические процессы почвенного криогенеза. Микроуровень почвенного криогенеза – формирование гранулометрического спектра минеральных компонентов почвы. Морозное выветривание. Криогидратационное выветривание. Коэффициент криогенной контрастности. Криогенное агрегирование. Типы криогенных текстур: массивная, слоистая, сетчатая, базально-призматическая. Микроморфология криогенных почв.

10. Передвижение и осаждение растворенных и примесных веществ в промерзающих почвах. Мезоуровень почвенного криогенеза – формирование почвенных горизонтов и непрофильных почвенных тел. Надмерзлотный латеральный перенос и осаждение веществ в почвенном покрове мерзлотных территорий. Трансформация продуктов почвообразования при промораживании, перевод в малоподвижные формы и закрепление в профиле почвы. Надмерзлотная ретинизация гумуса. Процессы солепереноса в криогенных почвах. Формирование солончакового профиля распределения солей в почвах Прибайкалья. Сегрегация нефти при промерзании загрязненных почв.

11. Криогенные явления в почвенном покрове. Макроуровень почвенного криогенеза – рельефообразующие процессы. Изменение объема почвы при промерзании. Теория морозобойного растрескивания. Формирование полигонально-блочного рельефа криогенных территорий. Палеорельеф. Эрозионно-гидрологические процессы в период снеготаяния. Солифлюкция. Роль мерзлого водоупора. Надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные воды в области вечной мерзлоты. Морозное пучение грунтов в условиях нестационарного температурного поля. Термокарст. Тиксотропность криогенных грунтов.

Примерный перечень контрольных вопросов для самостоятельной работы и зачета. Назовите особенности теплообмена в пределах нулевой завесы. Как изменяется теплоемкость почвы при промерзании? Как изменяется теплопроводность почвы при промерзании? Как скорость движения фронта промерзания почвы влияет на формирование криогенной текстуры? Чем отличается распределение минералов по гранулометрическому спектру при криогенном выветривании и выветривании в теплых гумидных условиях? Как влияет вечная мерзлота на гидротермический режим почв?

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. Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР. М., Колос, 1972. 360 с.
  2. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М., 1990. 558 с.
  3. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М., Научный Мир, 2003. 608 с.
  4. Конищев В.Н., Рогов В.В. Методы криолитологических исследований. М., Изд-во МГУ, 1994. 136 с.
  5. Павлов А.В. Расчет и регулирование мерзлотного режима почвы. Новосибирск, 1980. 238 с.
  6. Попов А.И., Розенбаум Г.Э., Тумель Н.В. Криолитология. М., Изд-во МГУ, 1985. 239 с.
  7. Сумгин М.И., Качурин С.П., Толстихин Н.И., Тумель В.Ф. Общее мерзлотоведение. М., 1940. 338 с.
  8. Фельдман Г.М. Передвижение влаги в талых и промерзающих грунтах. Новосибирск, 1988. 257 с.
  9. Худяков О.И. Криогенез и почвообразование. Пущино, ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1984. 195 с.
  10. Шульгин А.М. Климат почв и его регулирование. Л., Гидрометеоиздат, 1967. 2-е изд.: 197.; 341 с.

Рецензенты: профессор, д.г.н. В.Н.Конищев, зав. кафедрой криолитологии и гляциологии географического ф-та МГУ, профессор, д.г.н. В.В.Рогов