Розповсюдження тепла у глибину ґрунту

Добові та річні коливання температури поверхні ґрунту поступово розповсюджуються у глибші його шари. До розповсюдження тепла у ґрунті застосовується загальна теорія молекулярної теплопровідності, що була розроблена Фур’є, тому закони поширення тепла у ґрунті називаються законами Фур’є. Спостереження підтверджують, що фактичне розповсюдження тепла у ґрунті досить близько відповідає цими законами.

1. Період коливання температури не змінюється з глибиною незалежно від типу ґрунту. Це означає, що не лише на поверхні ґрунту, але й на глибинах залишається добова зміна з періодом 24 год. і річна з періодом 12 місяців, тобто інтервал часу між двома послідовними мінімумами і максимумами в середньому той самий.

2. Збільшення глибини в арифметичній прогресії супроводиться зменшенням амплітуди в геометричній прогресії. Так, якщо на поверхні ґрунту добова амплітуда дорівнює 16⁰С, то на глибині 20см вона становить 4⁰С, на глибині 40 см – 1⁰С, на глибині 60 см – 0,25⁰С. На деякій глибині добова амплітуда зменшується до 0⁰С, тобто коливання температури припиняється. Шар ґрунту, в якому температура залишається постійною протягом доби, називається шаром постійної добової температури. Цей шар грунту розташований на глибині близько 70-100 см. Лише у сухому торф’яному грунті, де дуже малий коефіцієнт температуропровідносі, добові коливання температури проникають лише до глибини 25 см.

Амплітуда річного коливання температури поступово зменшується з глибиною за тим самим законом. Але річні коливання розповсюджуються до більшої глибини. Амплітуда річного коливання температури грунту зменшується до нуля на глибині близько 30 м у полярних широтах, близько 15-20 м у помірних широтах і близько 10 м у тропіках. Шар грунту, в якому температура не змінюється протягом року, називається шаром постійної річної температури.

3. За третім законом Фур’є строки настання максимальних і мінімальних температур протягом доби і протягом року запізнюються з глибиною прямо пропорційно їй. Добові максимуми і мінімуми запізнюються на кожні 10 см на 2,5 – 3,5 години, а річні – на кожен метр глибини на 20-30 днів. Так, коли мінімальна температура на поверхні грунту буде о 6⁰⁰, а максимальна о13⁰⁰, то на глибині 10 см мінімум буде о 9⁰⁰, а максимум о 16⁰⁰. Якщо річний мінімум на поверхні спостерігається в січні, а максимум у липні, то на глибині 2 м мінімум буде у березні, а максимум у вересні.

4. Глибини шарів постійної добової та річної температури відносяться між собою як квадратні корені з періодів коливання

£₁/£₂ = √Т₁/Т₂ = √1/365 = 1/19

тобто глибина, на якій затухають річні коливання температури в середньому в 19 разів більша, ніж глибина затухання добових коливань температури.

Неоднорідність складу та структури ґрунту вносять деякі ускладнення в розподілі температури. Крім того, тепло проникає в грунт разом з водою атмосферних опадів, а це не підкоряється законам молекулярної теплопровідності.

Розподіл температури ґрунту на різних глибинах протягом доби чи року в даному місці можна зобразити за допомогою графіка термоізоплет (мал. 4.4).

На осі абсцис наносять час, коли мова йде про добовий хід температури, або місяці, коли мова йде про річний хід температури, на осі ординат - глибина. На графік наносять середні значення температури на різних глибинах кожної години чи місяця. Інтерполюючи, плавними лініями з’єднуються точки з однаковою температурою, одержують термоізоплети.