Температурный режим почвы

1. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ

2.

Димо Валентина
Николаевна
(1909-2003)
доктор с/х наук
Основатель почвенной
климатологии.
Ведущим
направлением в
исследованиях В
является изучение
теплофизических
свойств и теплового
режима различных
типов почв СССР.
Впервые в зональнопровинциальном
аспекте дала
количественную
характеристику
температуры почв
СССР, классификацию
их теплового режима.

3.

• Температурный режим формируется под
воздействием поступающей на поверхность
почвы лучистой энергии Солнца и
трансформации ее в тепловую энергию.
• Количество поступающей энергии в почву
зависит от географической широты, времени
года, состояния атмосферы, рельефа,
характера растительного и снежного покрова,
тепловых свойств почвы.

4. Тепловой баланс

• Температурный режим земной поверхности
обусловлен радиационным балансом (РБ).
• При положительном РБ верхний слой почвы
нагревается, при этом часть тепла, поглощенная
этим слоем, отдается атмосфере, другая тратится
на испарение, а некоторое количество передается
вглубь почвы.
• При отрицательном РБ верхний слой
охлаждается и тепло из глубины почвы поступает
к ее поверхности, что вызывает охлаждение в
глубине почвы.

5. Тепловой баланс

• Для температурного режима почвы
определенное значение имеют испарение и
конденсация водяного пара на ее поверхности.
• При конденсации выделяется тепло,
нагревающее почву, а на испарение тепло
затрачивается, поэтому происходит
охлаждение почвы.

6. Тепловой баланс

• Приход и расход тепла на земную поверхность
характеризуют уравнением теплового баланса:
В=LЕ + Р + А,
где L – скрытая теплота парообразования (около 600
кал/г);
Е – скорость испарения;
Р – турбулентный поток тепла между земной
поверхностью и атмосферой;
А – молекулярный поток тепла между земной
поверхностью и нижележащими слоями почвы.

7.

На хорошо увлажненных
посевах затраты тепла на
испарение больше, чем на
нагревание почвы и воздуха.
Почва под растительным
покровам прогревается
медленнее, чем под паром
На слабо увлажненных
посевах радиационное
тепло затрачивается в
основном на нагревание
почвы, растений и воздуха.
На глубине 20см под растительным покровом температура
легких почв в середине лета несколько выше температуры
воздуха, суглинистые почвы на этой глубине в течение лена на
1-2 градус холоднее воздуха

8.

Между поверхностью почвы и ее нижележащими
слоями происходит непрерывный обмен теплом
Инсоляция – тип
распределения
температуры, при
котором поток тепла
направлен от
поверхности вглубь
почвы, характерно,
когда поверхность
почвы теплее
нижележащих слоев
(день, лето)
Излучение –
поверхность почвы
холоднее
нижележащих слоев,
поток тепла направлен
из глубины к
поверхности (при
отрицательном
баланса зимой и
ночью)

9.

Тепловой режим почвы зависит от ее теплоемкости и
теплопроводности
ТЕПЛОЕМКОСТЬ
ПОЧВЫ
Объемная (Соб) –
количество тепла в
калориях,
необходимое для
нагревания
1см3 на1оС,
кал/см3*оС.
В СИ Дж/м3*оС
Весовая (удельная)
(Суд) – количество
тепла, требующееся
для нагревания 1г
почвы на 1оС,
кал/г*оС.
В СИ Дж/кг*оС

10.

• Существует соотношение:
• Соб = Суд * d,
• где d – плотность почвы.

11.

• У воды объемная и удельная теплоемкости одинаковы, т.к.
плотность воды при температуре 4оС равна 1г/см3.
• Объемная теплоемкость разных минеральных частей почвы
различается незначительно, но у воды и воздуха она
различается более чем в 3*103 раз. Поэтому теплоемкость
почв зависит от соотношения воздуха и воды, находящихся в
почвенных порах.
Почва
Влажность (% от наименьшей влагоемкости)
0
20
50
80
100
Песок
0,302
0,385
0,510
0,634
0,717
Глина
0,240
0,357
0,532
0,706
0,823
Торф
0,148
0,300
0,525
0,751
0,902

12.

• Способность почвы передать тепло от слоя к
слою называется теплопроводностью.
• Мерой теплопроводности служит коэффициент
теплопроводности, численно равный количеству
тепла, проходящему за 1 секунду через сечение 1
м2 слоя толщиной 1 м при разности температур
на границах слоя в 1°С.
• Теплопроводность зависит от минерального
состава почвы, ее влажности и содержания
воздуха в порах почвы.

13.

• При замерзании почвы ее теплопроводность
увеличивается, так как теплопроводность льда
почти в 4 раза больше теплопроводности воды.
• Отношение коэффициента теплопроводности к
объемной теплоемкости почвы называется
коэффициентом температуропроводности К:
• Этот коэффициент характеризует скорость
распределения тепла в почве.

14.

Температура почвы имеет суточную и годовую
периодичность (суточный и годовой ход температуры).
Суточный ход температуры поверхности почвы
характеризуется одним максимумом (около14 ч) и
одним минимумом (перед восходом Солнца).
С глубиной наступление максимальных и
минимальных температур запаздывает.
Наибольшая амплитуда (разность между
максимумом и минимумом) колебаний температуры
в течение суток отмечается в поверхностном слоя
почвы, с глубиной она уменьшается.
Полное затухание суточных колебаний температуры
наблюдается на глубине 40-100 см.

15.

Годовой режим температур почв имеет большую
амплитуду колебаний и выражен на большую глубину,
чем суточный. В умеренных широтах характеризуется
максимумом в июле или августе и минимумом - в январе
или феврале.
С глубиной время наступления максимума и минимума
температуры запаздывает в среднем на 20-30 суток на
каждый метр глубины. В течение года наибольшим
колебаниям подвержена температура поверхности почвы.
С глубиной амплитуды годового хода температуры почвы
уменьшаются.
Глубина проникновения годового хода температуры
почвы приблизительно в 19 раз больше, чем суточного.
В северных широтах она составляет примерно 25 м, в
средних широтах -15-20 м, в южных - около 10 м.

16. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температуры, называют активным слоем.

• Распространение температурных колебаний в глубь
почвы происходит в соответствии с законами Фурье:
• 1. Период колебаний с глубиной не изменяется, т.е. как
на поверхности почвы, так и на всех глубинах интервал
между двумя последовательными минимумами или
максимумами температуры составляет в суточном ходе
24 часа, в годовом 12 месяцев.
• 2. С увеличением
уменьшается.
глубины
амплитуда
быстро

17.

• Слой почвы, температура в котором в течении суток не
изменяется, называют слоем постоянной суточной
температуры. В средних широтах этот слой
начинается с глубины 70-100 см.
• 3. Максимальные и минимальные температуры на
глубинах наступают позднее, чем на поверхности
почвы. Это запаздывание прямо пропорционально
глубине. Суточные максимумы и минимумы
запаздывают на каждые 10 см глубины в среднем на
2,5-3,5 ч, а годовые на каждый метр глубины
запаздывают на 20-30 суток.

18.

• Классификация температурных режимов почв
для равнинной территории России и
прилегающих стран разработана В. Н. Димо
(1968). Согласно этой классификации почвы
делятся на промерзающие и непромерзающие.
• В зависимости от среднегодовой температуры
почвы на глубине 0,2 м, длительности и глубины
промерзания выделено 4 типа температурного
режима: мерзлотный, длительно сезонно
мерзлотный, сезоннопромерзающий и
непромерзающий.

19.

Материалы многолетних наблюдений за
температурой почвы на различных глубинах могут
быть представлены графически.
На
вертикальной
оси
откладывают глубины, на
горизонтальной – время
(обычно месяцы).
На график наносят среднюю
месячную
температуру
почвы на разных глубинах.
Затем точки с одинаковой
температурой
соединяют
плавными линиями, которые
называют термоизоплетами.

20.

• Термоизоплеты дают наглядное представление о
температуре активного слоя почвы на любой
глубине в каждый месяц.
• Применение термоизоплет:
• Определение
проникновения
критических
температур, повреждающих корневую систему
плодовых деревьев;
• Коммунальное хозяйство – при прокладке труб;
• Мелиорация – при закладывании дрен;
• Промышленное и дорожное строительство.

21.

• Теплофизические характеристики почвы зависят
от ее цвета, плотности, структуры.
• Степень нагревания и охлаждения почвы в
значительной мере зависит от формы рельефа,
ориентации склонов и их крутизны. По
сравнению с горизонтально расположенными
участками, южные склоны в северном
полушарии получают больше тепла, а северные
меньше.
• В южном полушарии зависимость обратная.

22.

• Растительный покров затеняет поверхность
почвы, поглощая значительную часть
приходящей солнечной радиации. Но в то
же время он уменьшает охлаждение почвы,
вызываемое ее эффективным излучением.
• В целом почва под растительным покровом
летом холоднее, чем оголенная, а зимой
теплее.

23.

• Тепловой режим почвы в зимний период в
значительной мере обусловлен снежным
покровом.
• Теплопроводность снега очень мала, что
снижает теплообмен между почвой и
атмосферой. Таким образом, снежный покров
предохраняет почву от глубокого промерзания
и резких колебаний температуры. Поэтому
глубина промерзания почвы уменьшается с
увеличением высоты снежного покрова.

24. Замерзание и оттаивание почвы. Вечная мерзлота

• Замерзание почвы происходит при
отрицательной температуре. Поскольку
почвенная влага содержит различные соли,
почва промерзает при -0,5, -1,5°С.
• Весной промерзший слой почвы оттаивает
сверху под влиянием прогрева поверхности, а
также снизу за счет прихода тепла от
нижележащих слоев.

25.

• Нагревание и охлаждение водоемов происходит
иначе:
• теплоемкость воды в 2-4 раза больше теплоемкости
почвы;
• Вода пропускает в глубину большее количество
радиации, поэтому прогревается на несколько
метров (в зависимости от прозрачности);
• Теплопроводность в воде турбулентная ( в почве
молекулярная, в основном)
• Поэтому, перенос тепла в водоемах в тысячи раз
интенсивнее, чем в почве

26.

Вечная мерзлота - часть верхнего слоя земной коры,
характеризующаяся в течение всего года или хотя бы
короткое время (но не менее суток) отрицательной
температурой почв и горных пород и наличием или
возможностью существования подземных льдов.
фиолетовый - районы
многолетней мерзлоты в
северном полушарии,
синий — районы
промерзания почвы более
чем на 15 суток в году,
красный — районы
промерзания почвы менее
чем на 15 суток в году,
сплошная линия —
граница области сезонного
снежного покрова

27.

Сумгин
Михаил Иванович
(1873—1942) —
доктор
геологических наук,
один из основателей
учения о вечной
мерзлоте.

28.

• Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было
сделано русскими землепроходцами XVII века,
покорявшими просторы Сибири.
• Впервые на необычное состояние почвы обратил
внимание казак Я.Святогоров, а более подробно
изучили первопроходцы из экспедиций,
организованных Семёном Дежнёвым и Иваном
Ребровым. В специальных посланиях русскому царю
они засвидетельствовали наличие особых таёжных
зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает
максимум на два аршина.

29.

• Ленские воеводы П.Головин и М.Глебов в 1640г.
сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не
растаивает».
• В 1828 г. Федор Шергин начал проходку шахты в
Якутске. За 9 лет была достигнута глубина 116.4 м.
Шахта Шергина шла все время в мерзлых грунтах, не
вскрыла ни одного водоносного горизонта.
• В 40-х годах 19-го века А. Ф. Миддендорф измерил
температуру до глубины 116 м. С этого времени вопрос
о существовании «вечной мерзлоты» уже всерьез не
поднимался.

30.

• Термин «вечная мерзлота», как специфическое
геологическое явление был введён в научное
употребление в 1927 году М. И. Сумгиным.
• Он определял его, как мерзлоту почвы, непрерывно
существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий.
• Слово мерзлота при этом чёткого определения не
имело, что и привело к использованию понятия в
различных значениях. Впоследствии термин
неоднократно подвергался критике и были предложены
альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные
породы и многолетняя криолитозона, однако они не
получили широкого распространения.

31.

• Вечная мерзлота — явление глобального
масштаба, она занимает не менее 25 % площади
всей суши земного шара. Единственный
материк, где вечная мерзлота отсутствует, - это
Австралия.
• Содержание льда в промерзлых породах
варьирует от нескольких до 90 %. В вечной
мерзлоте могут образоваться залежи газовых
гидратов, в частности гидрата метана.

32.

Значительная часть вечной мерзлоты унаследована от
последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно
тает. Альпийская вечная мерзлота - это часть горного
ландшафта, ее возникновение обусловлено
исключительно высотным фактором.
разработка
кимберлито
вых трубок
в Якутии

33. Игарский музей вечной мерзлоты - крайне редкое, уникальное явление. Он функционирует в вечномёрзлом грунте на глубинах 7-10

метров. Температура воздуха здесь только отрицательная (минус
5-6 градусов), это оптимальный режим для сохранения подземелья в естественных условиях и для
комфорта посетителей. Благодаря преобладанию глинистых грунтов в Игарском подземелье, ледяные
прослойки отчётливо видны, вечная мерзлота, хотя и носит характер "вялой", высокотемпературной, но
механически прочна. В подземной части нет искусственных креплений или охлаждающих установок.
Музей вечной мерзлоты является Памятником природы Красноярского края

34.

• Для регулирования теплового режима почвы
применяют общемелиоративные приемы,
направленные одновременно на регулирование
содержания в почве тепла и влаги (осушение,
орошение, снегозадержание, мульчирование) и
тепловые мелиорации (гребневание,
прикатывание, рыхление почвы, затенение,
пленочные покрытия, искусственный обогрев и
др.).
• Регулирование температуры и влажности почвы в
зимний период осуществляется с помощью
снежных мелиораций (снегозадержание,
снегонакопление, снегоуплотнение).

35.

• Криотурбация — перемешивание
почвенной массы под влиянием
разницы температур,
• Солифлюкция — сползание
насыщенной водой почвенной
массы со склонов по мёрзлому
слою.