Автор: доцент А.В.Смагин

1. Организационно-методический раздел

Цель курса. Подготовка специалистов в области количественной оценки и описания состояния и динамики газообразных веществ в почвах и сопредельных средах.

Задачи курса. Обучение современным принципам и методам количественного описания биофизических систем и их газообразных компонентов. Формирование представлений о роли газовой фазы почв как фактора плодородия и о газовой функции почв в связи с глобальными экологическими проблемами. Освоение математического моделирования динамики газов и паров в почвах. Знакомство с современными инструментальными методами исследования газов и паров в почвах и сопредельных средах.

Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Спецкурс читается на 4 курсе кафедры физики и мелиорации почв после прослушивания основных курсов: Физика, Высшая математика, Почвоведение, Физика почв, Биология почв.

Требования к уровню освоения содержания курса. Слушатели должны иметь достаточный уровень подготовки по высшей математике (теория функций, дифференциальное и интегральное исчисление), общей физики, физической химии, почвоведения и экологии, что достигается усвоением материала предшествующих базовых курсов.

II. Содержание курса

Введение

1.1. Принципы количественного описания физических систем. Выделение системы, границы, число компонентов и фаз. Показатели состояния, экстенсивные и интенсивные свойства, равновесный (термодинамический) и макрокинетический подходы. Динамика состояний: транспорт и локальные процессы (трансформация) веществ и энергии, граничные условия. Равновесные (стационарные) состояния, их устойчивость. Базовая модель динамической системы. Аналитические, приближенные и численные методы решения начально-краевых задач.
Состав и состояния газовой фазы почв.

2.1. Качественный и количественный состав почвенного воздуха. Газы и пары в атмосфере и почве. Макро и микрокомпоненты. Макрогазы и пары (N2, O2, Ar, CO2, H2О). Содержание макрогазов и паров в почвенном и атмосферном воздухе, закономерности пространственного распределения. Дыхание почвы, эмиссия СО2 (количественные придержки, контролирующие факторы, суточная и сезонная изменчивость, зональность). Оценка глобального вклада почвы в производство СО2. Микрокомпоненты: парниковые газы и загрязняющие вещества, содержание, интенсивности производства и поглощения почвами. Метан, газообразные соединения азота и серы в почве, основные механизмы продукции и поглощения, интенсивности процессов, концентрации. Водород, органические газы и пары. Оценка глобальной роли почвенного покрова в регуляции состава и состояния атмосферы, почва как резервуар, источник и сток газообразных веществ, современные экологические проблемы.

2.2. Физическое состояние газовой фазы почв. Оценка собственно газовой фазы. Показатели состояния: объемные проценты, ppm, концентрации, связь между ними. Уравнение состояния идеального газа. З-н Дальтона, термодинамический потенциал компонента газовой фазы. Распределение в поле силы тяжести (барометрическая формула). Двухфазная система (газ (пар)- жидкость). Относительная влажность, потенциал пара, зависимость давления насыщенных паров от температуры. З-н Рауля. Равновесие «жидкость-газ», растворение, эффективная растворимость, зависимость от температуры и кислотности среды. Кинетика растворения (десольвации), моделирование этого процесса. Оценка кинетических констант по экспериментальным данным. Трехфазная система. Взаимодействие газов и паров с поверхностями (адсорбция). Изотермы сорбции. Поглощение газов почвами (количественные придержки). Линейная (Генри) и мономолекулярная (Ленгмюр) сорбция. Оценка параметров равновесия по экспериментальным данным. Кинетическая модель сорбции газов, определение кинетических констант. Полимолекулярная сорбция (модель БЭТ). Сорбция летучих органических веществ. Процессы капиллярной конденсации, уравнение Кельвина. Гистерезис изотерм поглощения паров почвами. Кинетика взаимодействия водяного пара с твердой фазой почв, модель Грисмера.
Динамика состояний газовой фазы почв

3.1. Движение газов и паров в почвах. Основные механизмы массопереноса (диффузия, конвекция, понятие о диперсии потока). Конвективные потоки, вынужденная и свободная (естественная) конвекция. Перенос газообразных веществ по градиенту пневматического давления, воздухопроницаемость, связь с пористостью аэрации. Перенос в жидкой фазе. Пузырьковый транспорт и движение аэрозолей. Влияние растительных и животных организмов на транспорт газообразных веществ, преимущественный (локальный транспорт). Сравнительная оценка роли диффузионных и конвективных механизмов массопереноса. Диффузия и термодиффузия газов и паров. Уравнения диффузии, механизмы переноса в макро, мезо и микропорах, поверхностная диффузия. Эффективный коэффициент диффузии газов и паров в почве, связь с пористостью аэрации. Уравнение Пенмена для макропористых сред, нелинейные эмпирические модели зависимости эффективного коэффициента диффузии газов и паров от пористости аэрации. Относительная диффузивность, критические значения для роста растений. Сопряженный перенос газообразных веществ и влаги, диффузивность пара, зависимость от влажности (потенциала). Неизотермический перенос (термодиффузия). Проблема конденсации почвенной влаги, роль диффузии и конвекции.

3.2. Локальные процессы трансформации газов и паров в почве. Абиогенные источники и стоки, межфазные взаимодействия, равновесные, линейные и нелинейные кинетические модели. Биогенные источники и стоки газообразных веществ в почвах. Динамика органического вещества почвы и эмиссия газов. Модели биогенных процессов выделения-поглощения газообразных веществ (СО2, О2, СН4, Н2, соединения азота…). Расчет интенсивности выделения СО2 почвой, роль процессов иммобилизации и конвективного транспорта газа. Вертикальная анизотропия распределения интенсивностей продуцирования (поглощения) газообразных веществ в профиле почвы. Зависимость поглощения и продуцирования газообразных веществ от термодинамических условий (W, T) и других факторов внешней среды. Двойственная роль почвы как генератора и поглотителя газов и паров (на примере СО2, СН4, соединений азота). Необратимое связывание СО2 почвами, значение угольной кислоты в педогенезе.

3.3. Общая оценка динамики состояний газовой фазы почв (распределенные модели). Постановка задачи количественной оценки. Краевые и начальные условия, их формализация. Стационарные распределения концентраций газообразных веществ в почве. Определение параметров массопереноса и трансформации газов по стационарным газовым профилям. Аналитические и численные методы решения начально-краевых задач, их реализация в системах VBA, MATLAB, MULTISOLVER. Стационарный профиль СО2, О2, значение биогенных процессов, диффузии и конвекции в формировании стационарных распределений. Нестационарные (переходные) процессы, примеры решения моделей пространственно-временной динамики макрогазов, микрогазов и ЛОВ. Решение обратных задач, расчет гросс-продукции углеродсодержащих газов по данным о динамике газовых профилей в автоморфных и гидроморфных почвах. Соотношение эмиссии и гросс-продукции газов в почвах. Влияние структурной организации почвы на транспорт загрязняющих газообразных веществ. Регулирование газового режима, стратегия оптимизации газовой функции почв.

Методы оценки состояния и динамики газовой фазы почв

4.1. Определение концентраций (содержания) макро и микро компонентов почвенного воздуха методами газовой хроматографии и ИФК-спектроскопии. Определение дыхания почв (классические и современные подходы). Статические, динамические, расчетные методы оценки эмиссии. Дистанционные методы исследования эмиссии. Использование портативных универсальных газоанализаторов для определения содержания газообразных компонентов в почвах и их эмисии (поглощения) (на примере ПГА-7). Конструкции пробоотборников газовой фазы почв. Анализ межфазных взаимодействий (лабораторные эксперименты). Статические и динамические методы изучения сорбционныз процессов. Использование газовой хроматографии для определения физико-химических свойств пористых сред. Газохроматографический метод оценки изотерм сорбции и удельной поверхности в почвах. Лабораторные и полевые методы определения биогенной продукции и поглощения газов почвами, модификация метода инкубирования в закрытых флаконах с термодесорбцией для определения продуцирования СО2. Лабораторные и полевые методы исследования транспорта газообразных веществ в почвах. Оценка градиентов концентрации и давления, воздухопроницаемости и эффективных коэффициентов диффузии как функций от пористости аэрации. Оценка конвективных механизмов массопереноса и локального (преимущественного) транспорта. Использование изотопного анализа и меток при анализе транспорта, сорбционных процессов и гросс-продукции (поглощения) газообразных веществ.

IV. Форма итогового контроля – экзамен

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Основная литература

  1. Смагин А.В. Газовая фаза почв. М. МГУ, 1999.
  2. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв. М. МГУ 2001.

Дополнительная литература

  1. Взаимодействие почвенного и атмосферного воздуха. М.: МГУ, 1985.
  2. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: МГУ, 1986.
  3. Дыхание почвы. Пущино, 1993.
  4. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В., Глаголев М.В. и др. Моделирование динамики органического вещества почв М. МГУ. 2001.
  5. Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.: Прогресс, 1985.
  6. Современные физ. и хим. методы исследования почв. М.: МГУ, 1987.
  7. Углекислый газ в атмосфере. М.: Мир, 1987.
  8. Campabel G.S. Soil Physics with BASIC. Elsevler, 1985.

Рецензенты: профессор, д.б.н. И.И.Судницын, профессор, д.б.н. А.И.Поздняков