Практическая работа 3. Тепловой режим почвы и водоемов. Изменение температуры почвы и водоемов во времени и в пространстве. Теплофизические характеристики почвы и водоемов

Практическая работа 3.

Тепловой режим почвы и водоемов. Изменение температуры почвы и водоемов во времени и в пространстве. Теплофизические характеристики почвы и водоемов.

Изменения температуры земной поверхности (деятельного слоя) определяют тепловой режим нижних слоев атмосферы. Земная поверхность (поверхность почвы или воды, а также растительного, снежного или ледяного покрова) непрерывно и разными способами получает и теряет тепло. Через земную поверхность тепло передается вверх - в атмосферу и вниз - в почву или воду.

Режимы нагревания и охлаждения поверхностных слоев почвы и водных бассейнов существенно различаются. Эти различия связаны с разными теплофизическими характеристиками почвы и воды.

Основными теплофизическими характеристиками деятельного слоя являются теплопроводность, теплоемкость, удельная и объемная теплоемкость и температуропроводность.

Теплопроводность как один из видов теплообмена, при котором перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде имеет атомно-молекулярный характер, характеризуется коэффициентом теплопроводности (l) и выражается в Вт/(мград К) с точностью до десятых, а при очень маленьких значениях - с точностью до тысячных.

Теплоемкостью (с) называется величина, равная количеству теплоты(Q), необходимой для нагревания тела на один градус.

Q= CDt

Теплоемкость выражается в Дж/град. К.

Удельная теплоемкость суд выражается в Дж/(кгград. К) с точностью до сотых, и характеризует теплоту, необходимую для нагревания на 1 градус вещества единичной массы.

Объемная теплоемкость с выражается в Дж/(м3град. К) с точностью до сотых, характеризует теплоту, необходимую для нагревания на 1 градус вещества единичного объема и равна:

для сухой почвы

сс= суд с r,

где r - плотность вещества;

для влажной почвы

св =(суд с + суд в w) r,

где w - влажность почвы, (отношение массы воды в некотором объеме почвы к массе сухой ее части в том же объеме, выражается в долях единицы).

Влажность почвы и плотность сухой части почвы определяется соответственно:

w = (F1 - F2)/F2 , r = F2/Vg,

где F1 и F2 - вес почвы объемом V до и после просушивания.

Температуропровдность а характеризует скорость выравнивания температуры в среде и выражается в м2/с (или чаще в см2/ч) с точностью до сотых (1см2/ч. = 2,8 10-8 м2/с).

Распространение колебаний температуры в почвах теоретически рассчитывается в соответствии с законами Фурье. Если почва однородна по вертикали, то ее температура t на глубине z в момент времени t определяется из уравнения теплопроводности (уравнение Фурье)

dt/dt = a d2 t/dz2,

где а – температуропроводность.

Распространение температурных колебаний в почве описывается следующими законами.

1-ый закон Фурье - закон неизменности периода колебаний с глубиной. Независимо от типа почвы период колебаний температуры не изменяется с глубиной:

2-ой закон Фурье – закон уменьшения амплитуды колебаний с глубиной. Возрастание глубины в арифметической прогрессии приводит к уменьшению амплитуды в геометрической прогрессии

(1)

где Аz2 и Аz1 - амплитуды на глубинах z1 и z2 (z2>z1), а - температуропроводность слоя почвы, лежащего между глубинами z1 и z2;

Из формулы (1) вытекают следующие следствия:

·  глубины, на которых в разных почвах амплитуды температурных колебаний с одинаковым периодом уменьшаются в одинаковое число раз, относятся между собой как корни квадратные из температуропроводности этих почв:

;

·  убывание амплитуды до нуля приводит к возникновению на некоторой глубине слоев постоянной суточной или постоянной годовой температуры.

3-ий закон Фурье - закон запаздывания. Сроки наступления максимальных и минимальных температур, как в суточном, так и в годовом ходе запаздывают с глубиной пропорционально увеличению глубины:

где Dtz1-z2 - запаздывание, т. е. разность между моментами наступления одинаковой фазы колебаний на глубинах z1 и z2.

Колебания температуры проникают в почву до глубины Zпр, определяемой соотношение

Zпр = **lg

4-ый закон Фурье. Глубины, на которых в одной и той же почве амплитуды температурных колебаний с разными периодами уменьшаются в одинаковое число раз, относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний:

Из этого уравнения следует, что глубины слоев постоянной суточной и годовой температур относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний, т. е. как 1:

Вертикальный температурный градиент – изменение температуры на единицу глубин. Для почвы рассчитывается как изменение температуры на каждый метр глубины.

Контрольные вопросы к работе 3

1.  Какие физические процессы определяют различие в тепловом режиме почвы и водоемов? Как эти различия влияют на температуру поверхности суши и моря?

2.  Опишите суточный ход температуры почвы. Объясните, почему максимум температуры приходится на середину дня, а не на его конец.

3.  Что такое амплитуда суточного хода температуры. Когда она больше зимой или летом? Почему?

4.  Опишите годовой ход температуры почвы. Что такое амплитуда годового хода температуры поверхности почвы? Как она меняется с широтой?

5.  Как влияет растительный покров и снег на температурный режим почвы?

6.  Чем отличается суточный и годовой ход температуры почвы от суточного хода температуры водоемов?

7.  Сформулируйте законы, описывающие распространение тепла в глубь почвы.

Выполните следующие задания:.

1. Температура (0С) поверхности почвы на экспериментальной площадке на метеостанции в Подмосковье в пасмурный день 9 июля и в ясный день 13 июля 1994 года представлена в таблице 3.1.

По данным этой таблицы построить и проанализировать кривые суточного хода. Указать причины его различия в пасмурные и ясные дни. Определить амплитуду суточной температуры поверхности почвы в ясный и пасмурный дни.

2. В таблице 3.2. представлена средняя за 8 суток температура поверхности почвы на площадке в полупустыне и на близлежащем орошаемом хлопковом поле в местечке Пахта-Арал (Узбекистан) в июле 1992 года. По данным этой таблицы построить и проанализировать кривые суточного хода температуры поверхности почвы (значение температуры в 0 часов использовать дважды - в начале и в конце интервала). Указать причины различия суточного хода температуры почвы на этих площадках. Определить суточные амплитуды температуры на этих участках.

3. .В таблице 3.3. дана многолетняя средняя месячная температуры поверхности воды в Каспийском море и поверхности супесчаной почвы на двух станциях на той же широте, одна из которых (Гасан-Кули) находится на берегу Каспийского моря, а другая (Ничка) примерно на расстоянии 900 км от моря, в Юго-Восточных Каракумах. Построить и проанализировать кривые годового хода. Указать причины различия годового хода в этих трех точках. Определить годовые амплитуды температуры в этих трех точках.

4. По данным таблицы 3.4. построить вертикальные профили многолетней средней месячной температуры поверхности почвы и температуры на разных глубинах в Смоленске. Ответить на следующие вопросы:

1.  назвать тип каждого профиля и указать, нормален ли он для данного месяца.

2.  описать причины возникновения таких профилей.

3.  вычислить вертикальный градиент температуры (oС/м) в июле для каждого слоя отдельно и средний от поверхности до глубины 3,2 м. Указать характер и причины его изменения с глубиной.

4.  определить и отметить на профиле направление переноса тепла в каждом слое в рассмотренные месяцы.

(При построении профиля по горизонтальной оси откладывать температуру почвы, по вертикальной - вниз – глубину).

5. .По данным таблицы 3.5 построить вертикальные профили средней месячной температуры воды в Каспийском море и сравнить их с профилями из задачи 4. Вычислить вертикальный градиент температуры в июле для каждого слоя отдельно и средний от поверхности до глубины 100 м. Результат сравнить с полученным в задаче 4. Указать причины различий.

6. Найти изменение средней температуры двух изолированных проб почвы объемом по 20 см3 при одинаковом притоке тепла 50,24 Дж и при одинаковой теплоотдаче 41,87 Дж, если первая проба состоит из слабо увлажненного песка, а вторая из влажного гумуса. Как влияет различие теплоемкостей разных видов почв на нагревание (охлаждение) почвы при одинаковом притоке (отдаче) тепла?

Средняя объемная теплоемкость слабо увлажненного песка составляет 1.84 МДж / (м3градК), влажного гумуса - 0,92 МДж /(м3градК).

7. Вес абсолютно сухой пробы глинистой почвы объемом 40см3, взятой перед началом дождя, равнялся 0,41н. После продолжительного сильного дождя вес новой пробы с таким же объемом, взятой из той же почвы, составил 0,49н.

Удельная теплоемкость сухой глины суд составляет 0,92 кДж /кг град. К, удельная теплоемкость воды - суд в 4,19 кДж/кг град. К.

Найти абсолютное и относительное изменение объемной теплоемкости данной почвы в результате дождя. Как изменяется теплоемкость почвы при ее увлажнении (просушивании)? Когда больше нагревается одна и та же почва при одинаковом притоке тепла: до или после дождя?

8. .Амплитуда суточного хода температуры поверхности почвы 20,70С. Вычислить амплитуду на глубине 30см и найти глубину, на которой колебания температуры практически прекращаются, если средняя по глубине температуропроводность верхнего слоя почвы в этот день равнялась 18 см2/ч.

9. Вычислить глубину проникновения годовых колебаний температуры для суши и моря, если температуропроводность суши 29 см2/ч, моря 945 см2/ч. Годовая амплитуда температуры на поверхности суши составляет 20,30С, моря – 19,00С. Какое влияние на климат приморских и континентальных районов оказывает различие тепловых режимов моря и суши?

10. По результатам многолетних наблюдений в Павловске (под Санкт-Петербургом) максимальная температура поверхности почвы в суточном ходе наблюдается в 13 ч. 10 мин., а на глубине 20 см - в 18 ч. 10 мин. Рассчитать время наступления максимума на глубине 40 см, если температуропроводность слоев 0-20 см и 20-40 см одинаковы.

Таблицы к работе 3.

Таблица 3.1. Суточный ход температуры в ясный (13.07) и пасмурный (9.07) день.

Время	0.	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24
9.07, t0C	11	11	12	12	13	15	20	21	21	20	17	10	10
13.07, t0C	11	10	9	16	24	35	38	40	36	28	21	13	10

Таблица 3.2. Средняя за 8 суток температура поверхности почвы на площадке в полупустыне и на близлежащем орошаемом хлопковом поле.

Время, час.	0, .	4	6	8	10	12	14	16	18
	Полупустыня, t0C	22,2	17,8	25,4	43,0	58,4	64,9	63,2	53,8	38,6
	Орошаемое поле tCC	20,6	18,8	20,3	24,0	28,3	35,6	32,7	30,1	27,3

Таблица 3.3. Многолетняя средняя месячная температуры поверхности воды в Каспийском море и поверхности супесчаной почвы на двух станциях на той же широте (Гасан-Кули и Ничка).

Месяц	I.	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IХ	Х	ХI	ХII
Каспийское море, t0C	11,0	9,4	8,9	10,9	14,6	22,8	26,2	25,8	21,6	19,6	14,7	11,8
Гасан-Кули, t0C	5,2	6,1	11,3	17,4	23,7	29,3	33,4	32,4	28,2	20,1	11,8	7,4
Ничка, t0C	2,1	5,9	12,4	20,1	29,3	35,8	38,3	34,5	27,4	18,2	8,7	4,2

Таблица3.4. Многолетняя средняя месячная температура поверхности почвы и температура на разных глубинах в Смоленске:

Месяцы	I	IV	VII	IX
Глубина, м	Температура, 0С
0,0	-9	3	20	11
0,2	-0,5	1,8	17,2	12,0
0,4	0,4	1,6	16,2	12,4
0,6	1,2	1,5	15,0	12,5
0,8	1,8	1,5	14,0	12,6
1,2	2,8	1,9	12,4	12,4
1,6	3,6	2,3	11,0	12,1
2,4	5,1	3,2	8,9	11,0
3,2	6,1	4,1	7,4	9,8

Таблица 3.5. Средняя месячная температура воды в Каспийском море:

Месяцы	I	IV	VII	IХ
Глубина, м	Температура, 0С
0	11,1	10,9	26,2	23,6
10	11,0	10,7	24,7	22,6
25	11,0	9,6	18,7	18,7
50	10,6	8,8	10,0	10,7
100	9,0	7,5	7,4	6,4