Нагрівання й охолодження ґрунту

Поверхня ґрунту безпосередньо засвоює сонячну та атмосферну радіацію і випромінює власне тепло. Тому тепловий режим земної поверхні визначається її радіаційним балансом. Кількість променистої енергії, що засвоюється і випромінюється, залежить від кольору ґрунту, складу та структури. Тому темні ґрунти, які мають порівняно малу відбивну здатність, удень нагріваються більше, а вночі охолоджуються сильніше за світлі. За позитивного радіаційного балансу частина тепла від поверхні передається у глибші шари, а частина в повітря. За негативного радіаційного балансу тепло з глибших шарів ґрунту і з повітря передається до поверхні.

При нагріванні та охолодженні ґрунту важливу роль відіграє випаровування води та конденсація водяної пари на його поверхні. Грунт втрачає тепло, яке йде на випаровування води, при конденсації водяної пари виділяється приховане тепло, яке йде на нагрівання ґрунту.

Термічний режим ґрунту залежить від його теплоємності та теплопровідності. Використовують питому та об’ємну теплоємність. Питома теплоємність С – це кількість тепла необхідна для нагрівання одиниці маси ґрунту на 1⁰ С. Об’ємна теплоємність С_об – кількість тепла необхідна для нагрівання одиниці об’єму ґрунту на 1⁰ С. Співвідношення між об’ємною та питомою теплоємністю виражається добутком

С_об = С·ρ

де ρ – щільність ґрунту. Усі мінеральні складові частини ґрунту мають майже однакову об’ємну теплоємність і за середнього зволоження та середньої порозності вона становить 2,0934·10⁶ Дж/м³·К, тобто половину теплоємності води. Об’ємна ж теплоємність повітря 1,67·10⁶ Дж/м³·К. Тому збільшення вологості і зменшення порозності ґрунту супроводжується збільшенням його об’ємної теплоємності (табл. 4.1)

Табл. 4.1. Теплофізичні характеристики ґрунту за різного зволоження

Тепловий режим ґрунту залежить також від коефіцієнта його теплопровідності λ. Це кількість тепла, що проходить за 1 с крізь стовпчик ґрунту товщиною 1см площею 1 см² за умови різниці температури на верхній і нижній його межах 1⁰С. Теплопровідність твердих частинок ґрунту наближено у 100 разів більша за молекулярну теплопровідність повітря. Тому зі збільшенням порозності ґрунту теплопровідність його різко зменшується. При зволоженні ґрунту частина повітря з нього витісняється водою, теплопровідність якої наближено у 20 разів більша за теплопровідність повітря. Тому теплопровідність ґрунту збільшується при збільшенні його вологості. Оскільки склад та вологість ґрунту змінюється з глибиною і у часі, то і коефіцієнт теплопровідності також змінюється.

Нагрівання й охолодження грунту обернено пропорційне його об’ємній теплоємності, а швидкість поширення тепла у глибину прямо пропорційна коефіцієнту теплопровідності. Часто замість коефіцієнта теплопровідності використовують коефіцієнт температуропроводності. Останній визначається як відношення коефіцієнта теплопровідності ґрунту до його об’ємної теплоємності

К = λ / С_об.

Величина К показує, наскільки швидко вирівнюється температура вище- і нижче розташованих шарів ґрунту. Тобто коефіцієнт температуропровідності – це величина, яка характеризує швидкість зміни температури в тому чи іншому середовищі.