Тепловые свойства почвы

В термических свойствах почвы являются составной частью физики почвы , что нашли важные применения в инженерной , климатологии и сельском хозяйстве . Эти свойства влияют на распределение энергии в почвенном профиле . Хотя он связан с температурой почвы, он более точно связан с передачей энергии (в основном в виде тепла) по всей почве за счет излучения , теплопроводности и конвекции .

Основные термические свойства грунта:

• Объемная теплоемкость , СИ Единицы: Дж ∙ м ⁻³ ∙ K ⁻¹
• Теплопроводность , СИ Единицы: Вт ∙ м ⁻¹ ∙ K ⁻¹
• Температуропроводность , СИ Единицы: м ² ∙ с ⁻¹

Измерение [ править ]

Трудно сказать что-то общее о тепловых свойствах почвы в определенном месте, потому что они находятся в постоянном изменении суточных и сезонных колебаний. Помимо основного состава почвы, который является постоянным в одном месте, на термические свойства почвы сильно влияют объемное содержание воды в почве, объемная доля твердых частиц и объемная доля воздуха. Воздух является плохим проводником тепла и снижает способность твердой и жидкой фаз проводить тепло. Хотя твердая фаза обладает самой высокой проводимостью, теплопроводность в значительной степени определяется изменчивостью влажности почвы. Таким образом, влажностные свойства почвы и термические свойства почвы очень тесно связаны и часто измеряются и сообщаются вместе.Температурные колебания наиболее сильны на поверхности почвы, и эти колебания передаются подповерхностным слоям, но с меньшей скоростью по мере увеличения глубины. Кроме того, существует временная задержка относительно достижения максимальной и минимальной температуры при увеличении глубины почвы (иногда называемая термической задержкой).

Одним из возможных способов оценки тепловых свойств почвы является анализ изменений температуры почвы в зависимости от закона Фурье по глубине ,

${\ Displaystyle Q = - \ lambda dT / dz \,}$

где Q - тепловой поток или скорость теплопередачи на единицу площади, Дж · м ⁻² ∙ с ⁻¹ или Вт · м ⁻² , λ - теплопроводность, Вт · м ⁻¹ ∙ K ⁻¹ ;dT / dz - градиент температуры (изменение температуры / изменение глубины), К · м ⁻¹ .

Наиболее часто применяемый метод измерения тепловых свойств почвы - это выполнение измерений на месте с использованием систем датчиков нестабильного состояния или тепловых датчиков.

Одиночные и двойные тепловые зонды [ править ]

В методе с одним датчиком используется источник тепла, вставленный в почву, при этом тепловая энергия подается непрерывно с заданной скоростью. Тепловые свойства почвы можно определить, анализируя температурный отклик рядом с источником тепла с помощью теплового датчика. Этот метод отражает скорость, с которой тепло отводится от датчика. Недостатком этого устройства является то, что он измеряет только теплопроводность. Применимые стандарты: Руководство IEEE по измерениям термического сопротивления почвы (Стандарт IEEE 442-1981), а также Стандартные методы испытаний ASTM D 5334-08 для определения теплопроводности почвы и мягких пород с помощью процедуры термостабильного зонда.

Малый размер неустойчивого зонда: Зонд состоит из иглы (3) с одним спаем термопары (6) и нагревательного провода (5). Он вставляется в исследуемый носитель.

Пример полной системы для измерения теплопроводности почвы, специально разработанной для измерений на глубине около 1,5 метров от поверхности почвы, что является типичной глубиной заглубления высоковольтных кабелей.

После дальнейших исследований была разработана методика двухзондового теплового импульса. Он состоит из двух параллельных игольчатых зондов, разделенных расстоянием (r). Один зонд содержит нагреватель, а другой - датчик температуры. Устройство двойного зонда вставляется в почву, применяется тепловой импульс, и датчик температуры регистрирует отклик как функцию времени. То есть тепловой импульс посылается от зонда через почву (r) к датчику. Большим преимуществом этого устройства является то, что он измеряет как коэффициент температуропроводности, так и объемную теплоемкость. Исходя из этого, можно рассчитать теплопроводность, что означает, что двойной зонд может определить все основные термические свойства почвы. Отмечены возможные недостатки метода теплового импульса.Это включает в себя небольшой измерительный объем почвы, а также измерения, чувствительные к контакту зонда с почвой и расстоянию между сенсором и нагревателем.

Дистанционное зондирование [ править ]

Дистанционное зондирование со спутников и самолетов значительно расширило возможности выявления и использования вариаций тепловых свойств почвы во многих аспектах деятельности человека. Хотя дистанционное зондирование отраженного света от поверхностей действительно указывает на тепловую реакцию самых верхних слоев почвы (толщиной в несколько молекулярных слоев), наибольший интерес представляет тепловая инфракрасная длина волны, которая обеспечивает колебания энергии, распространяющиеся на различные небольшие глубины под поверхностью земли. Тепловой датчик может обнаруживать изменения в передаче тепла в приповерхностные слои и из них из-за внешнего нагрева в результате тепловых процессов теплопроводности, конвекции и излучения. СВЧдистанционное зондирование со спутников также оказалось полезным, поскольку оно имеет преимущество перед МДП в том, что на него не влияет облачный покров.

Различные методы измерения тепловых свойств почвы использовались, чтобы помочь в различных областях, таких как; расширение и сжатие строительных материалов, особенно в промерзающих почвах, долговечность и эффективность прокладываемых в земле газовых труб или электрических кабелей, схемы энергосбережения, в сельском хозяйстве для определения времени посадки, чтобы обеспечить оптимальное прорастание всходов и рост урожая, измерение выбросов парниковых газов как тепло влияет на высвобождение углекислого газа из почвы. Тепловые свойства почвы также становятся важными в таких областях науки об окружающей среде, как определение движения воды в радиоактивных отходах и при обнаружении заглубленных мин .

Использует [ редактировать ]

Тепловая инерция почвы позволяет использовать ее для подземного хранения тепловой энергии. ^[1] Солнечную энергию можно повторно использовать с лета на зиму, используя землю в качестве долгосрочного хранилища тепловой энергии, прежде чем она будет извлечена тепловыми насосами из источника зимой.

Изменения количества растворенного органического углерода и почвенного органического углерода в почве могут влиять на ее способность дышать, увеличивая или уменьшая поглощение углерода почвой. ^[2]

Кроме того, критерии проектирования MCS для тепловых насосов с мелким контуром заземления требуют точного измерения теплопроводности на месте. ^[3] Это можно сделать с помощью вышеупомянутого теплового зонда для точного определения теплопроводности почвы на участке.

Ссылки [ править ]

• Бристоу К.Л., Клуитенберг Г.Дж., Годинг С.Дж., Фицджеральд Т.С. (2001). «Небольшой многоигольный зонд для измерения термических свойств почвы, содержания воды и электропроводности». Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве . 31 (3): 265–280. DOI : 10.1016 / S0168-1699 (00) 00186-1 .