Почва - тонкий верхний слой земной коры, дающий жизнь растениям.
Тепловой режим почвы зависит от количества тепловых лучей, получаемых землей от солнца, и тепловых свойств почв, а именно: способности почв поглощать лучистую энергию, теплоемкости и теплопроводности почвы, излучения почвой тепловой энергии в атмосферу.
Существенное влияние на температуру почвы оказывает рельеф местности: его формы, ориентация склонов и их крутизна. Весной, летом и осенью южные склоны днем теплее, а северные заметно холоднее открытого ровного места, причем микроклиматические различия возрастают с увеличением крутизны склонов.
Западные склоны получают от Солнца такое же количество тепла, как и восточные. Однако при прочих равных условиях западные склоны несколько теплее, т.к. на восточных склонах часть тепла затрачивается утром на испарение росы с поверхности почвы и растений, тогда как на западных склонах, освещаемых Солнцем после полудня, росы уже нет.
Наличие растительного покрова на поверхности почвы оказывает заметное влияние на ее тепловой режим. Растительный покров затеняет земную поверхность, в результате чего почва в дневные часы под действием солнечной радиации нагревается меньше. В ночные часы растительный покров уменьшает охлаждение почвы, задерживая тепло, отдаваемое ею излучением. В целом почва под растительным покровом летом холоднее, чем оголенная. Кроме того при наличии растительного покрова отмечают увеличение затрат поступающего тепла на испарение почвы и уменьшение теплоемкости и теплопроводности почвы.
Особенно сильно на тепловой режим почвы влияет снежный покров. Теплопроводность снега очень мала, что приводит к значительному ослаблению теплообмена между почвой и атмосферой. Благодаря этому снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания и резких изменений температуры, поэтому глубина промерзания почвы уменьшается с увеличением высоты снежного покрова. Защитное действие снега особенно важно для озимых, многолетних трав, плодовых и ягодных культур. При снежном покрове высотой более 30 см посевы озимых не вымерзают даже при сильных морозах.
Если в зимний период снежный покров оказывает на почву отепляющее действие, то в весенние месяцы он затрудняет прогревание почвы, экранируя ее от солнечной радиации и забирая много тепла на таяние. В результате весной почва под снегом имеет более низкую температуру, чем оголенная.
1. Процессы нагревания и охлаждения почвы
Солнечная радиация, поглощенная сушей, преобразуется в тепло, и часть этого тепла идет на нагревание почвы.
Температурный режим почвы зависит от радиационного баланса. Если он положительный, то поверхность почвы нагревается; а если он отрицательный, то она охлаждается.
Кроме того, на температурный режим почвы влияют процессы испарения и конденсации водяного пара на поверхности почвы:
-При конденсации выделяется тепло, нагревающее почву.
-При испарении тепло затрачивается и почва охлаждается.
Между поверхностью почвы и ее нижними слоями происходит непрерывный обмен теплом.
Если радиационный баланс положительный, поток тепла направлен от поверхности почвы вглубь.
2. Теплофизические характеристики почвы
Температурный режим почвы зависит от ее теплофизических характеристик:
1) Теплоемкость почвы объемная удельная
Объемная теплоемкость (Соб) –количество тепло, необходимое для того, чтобы нагреть 1 м³почвы на 1ºС [Дж/м³ · Сº]
Удельная теплоемкость (Суд) –количество тепла, необходимое для нагревания
1 килограмма почвы на 1ºС. Измеряется удельная теплоемкость (Суд) в [Дж/кг· ºС].
где d – плотность почвы в кг/м³.
Теплоемкость различных почв зависит не от их минерального состава, а от соотношения воды и воздуха в их порах. Так как теплоемкость воды, примерно, в 3,5 тысячи раз больше, чем воздуха, следовательно, сухие почвы имеют меньшую теплоемкость; то есть при одинаковом поступлении тепла они нагреваются, а при отдаче тепла, охлаждаются сильнее, чем влажные почвы.
4. Теплопроводность почвы –это способность почвы передавать тепло от слоя к слою.
λ - коэффициент теплопроводности [Дж· сек/м ·ºС].
Наиболее высокая теплопроводность у минеральной части почвы (то есть песка, глины), меньше – почвенной воды и минимальная – у почвенного воздуха.
5. Коэффициент температуропроводности – характеризует скорость распространения тепла в почве (чем он больше, тем скорость выше).
(≈0,1 – 0,2 м²/сек) Измеряется в [м²/сек]
Теплофизические характеристики почвы зависят от ее влажности. С увеличением влажности почвы теплоемкость постоянно растет.
Теплопроводность почвы возрастает до тех пор, пока она не станет равной теплопроводности воды [≈ 5,5∙ 104 Дж/сек] и после этого не изменяется
м∙ºС
В связи с этим коэффициент температуропроводности с увеличением влажности почвы сначала резко возрастает, а затем снижается.
Кроме того, температурный режим почвы зависит от:
1. Цвета почв (темные лучше нагреваются).
2. Плотности почв (плотные имеют большую теплоемкость и теплопроводность, чем рыхлые).
3. Полив и осадки увеличивают затраты тепла на испарение и, таким образом, охлаждают почву.
3. Суточный и годовой ход температуры почвы. Закон Фурье
«Изменение температуры почвы в течении суток, называют суточным ходом температуры почвы».
Максимальная температура почвы в течении суток наблюдается, примерно, в 13 часов местного времени; минимальная – перед восходом Солнца. Но, под влиянием осадков, облачности и других факторов максимум и минимум могут смещаться.
«Изменение температуры почвы в течении года – годовой ход температуры почвы».максимум – в июле, минимум в январе, феврале.
«Разница между максимальным и минимальным значением в суточном или годовом ходе, называется амплитудой хода температуры почвы»
Амплитуда суточного и годового хода температуры почвы зависит от:
1. Рельефа (северные склоны нагреваются меньше южных, и, поэтому, имеют меньшую амплитуду).
2. Растительность с снежный покров уменьшают амплитуду, так как снижают нагрев и охлаждение почвы под ними.
3. Чем больше теплоемкость и теплопроводность почвы, тем меньше ее амплитуда.
4. Облачность – уменьшает амплитуду температуры почвы.
5. Темные почвы имеют большую амплитуду, чем светлые, так как лучше поглощают и излучают радиацию
6. Кроме того, амплитуда суточного хода температуры почвы зависит от времени года (летом она максимальна, зимой минимальна).
Закон Фурье
Распространение тепла вглубь почвы происходит в соответствии с законами Фурье:
1). Период колебания температуры почвы с глубиной не изменяется (то есть интервал между двумя последовательными максимумом и минимумом, 24 часа, 12 месяцев)
2). Амплитуда колебания с глубиной уменьшается.
« Слой почвы, в котором температура в течение суток не изменяется, называется
слоем постоянной суточной температуры почвы».
(в наших широтах он начинается с глубины 70 – 100 см)
«Слой земной коры, в котором температура в течении года не изменяется – слой постоянной годовой температуры».(у нас он начинается с глубины 15 – 20 метров)
«Слой почвы, в котором наблюдается, как суточный, так и годовой ход температуры, называется активный слой, или
деятельный слой.
3).Максимумы и минимумы температуры на глубинах запаздывают по сравнению с поверхностью почвы.
Суточные максимумы и минимумы запаздывают, примерно, на 2,5 – 3,5 часа на каждые 10 сантиметров глубины. Годовые максимумы и минимумы, примерно,
на 20-30 суток на 1 метр глубины.
4. Зависимость температуры почвы от рельефа, снежного и растительного покрова
По сравнению с горизонтальными участками, южные склоны нагреваются сильнее, а северные слабее. Западные склоны немного теплее восточных (хотя они освещаются Солнцем одинаково, но на восточных часть тепла затрачивается на испарение росы, так как они освещаются в первую половину дня, а западные во вторую, когда росы уже нет).