Термические свойства почвы
Термические свойства почвы являются компонентом физики почвы , который нашел важное применение в технике , климатологии и сельском хозяйстве . Эти свойства влияют на то, как энергия распределяется в профиле почвы . Хотя это связано с температурой почвы , более точно оно связано с передачей энергии (в основном в форме тепла) по почве посредством излучения , проводимости и конвекции .
Основными тепловыми свойствами почвы являются
- Объемная теплоемкость , СИ Единицы: Дж∙м −3 ∙K −1
- Теплопроводность , СИ Единицы измерения: Вт∙м −1 ∙K −1
- Температуропроводность , СИ Единицы измерения: м 2 ∙s −1
Измерение
[ редактировать ]Трудно сказать что-то общее о тепловых свойствах почвы в определенном месте, поскольку они постоянно меняются в зависимости от суточных и сезонных изменений. Помимо основного состава почвы, который постоянен в одном месте, на термические свойства почвы сильно влияют объемное содержание воды в почве, объемная доля твердых веществ и объемная доля воздуха. Воздух является плохим проводником тепла и снижает эффективность проведения тепла твердыми и жидкими фазами. Хотя твердая фаза имеет самую высокую проводимость, именно изменчивость влажности почвы во многом определяет теплопроводность. Таким образом, свойства влажности и тепловые свойства почвы очень тесно связаны и часто измеряются и сообщаются вместе. Колебания температуры наиболее экстремальны на поверхности почвы, и эти колебания передаются в подповерхностные слои, но с меньшей скоростью по мере увеличения глубины. Кроме того, существует задержка во времени достижения максимальной и минимальной температуры при увеличении глубины почвы (иногда называемая тепловой задержкой).
Одним из возможных способов оценки тепловых свойств почвы является анализ изменений температуры почвы в зависимости от глубины по закону Фурье .
где Q — тепловой поток или скорость теплопередачи на единицу площади, Дж·м. −2 ∙s −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 применяемым методом измерения тепловых свойств почвы является выполнение измерений на месте с использованием систем нестационарных датчиков или тепловых датчиков.
Одиночные и двойные тепловые зонды
[ редактировать ]В методе с одним зондом используется источник тепла, вставленный в почву, при этом тепловая энергия подается непрерывно с заданной скоростью. Термические свойства почвы можно определить путем анализа температурной реакции вблизи источника тепла с помощью термодатчика. Этот метод отражает скорость, с которой тепло отводится от зонда. Ограничением этого устройства является то, что оно измеряет только теплопроводность. Применимыми стандартами являются: Руководство IEEE по измерению термического сопротивления почвы (стандарт IEEE 442-1981), а также стандартный метод испытаний ASTM D 5334-08 для определения теплопроводности почвы и мягких пород с помощью процедуры термоигольчатого зонда.
После дальнейших исследований была разработана технология двухзондового теплового импульса. Он состоит из двух параллельных игольчатых зондов, разделенных расстоянием (r). Один зонд содержит нагреватель, а другой — датчик температуры. Устройство с двойным зондом вставляется в почву, подается тепловой импульс, а датчик температуры записывает реакцию как функцию времени. То есть тепловой импульс посылается от зонда через почву (r) к датчику. Большим преимуществом этого устройства является то, что оно измеряет как температуропроводность, так и объемную теплоемкость. Исходя из этого, можно рассчитать теплопроводность, а это означает, что двойной датчик может определить все основные тепловые свойства почвы. Отмечены потенциальные недостатки теплоимпульсного метода. Это включает в себя небольшой объем измерения почвы, а также чувствительность измерений к контакту зонда с почвой и расстоянию между датчиком и нагревателем.
Дистанционное зондирование
[ редактировать ]Дистанционное зондирование со спутников и самолетов значительно улучшило способы выявления изменений тепловых свойств почвы и их использования во многих аспектах человеческой деятельности. Хотя дистанционное зондирование отраженного света от поверхностей действительно указывает на тепловую реакцию самых верхних слоев почвы (толщиной в несколько молекулярных слоев), наибольший интерес представляет длина волны теплового инфракрасного излучения , которая обеспечивает вариации энергии, распространяющиеся на различные небольшие глубины под поверхностью земли. Термальный датчик может обнаруживать изменения теплопередачи в приповерхностные слои и из них из-за внешнего нагрева за счет тепловых процессов проводимости, конвекции и излучения. Микроволновое дистанционное зондирование со спутников также оказалось полезным, поскольку оно имеет преимущество перед TIR, поскольку на него не влияет облачный покров.
Различные методы измерения тепловых свойств почвы использовались в различных областях, таких как; расширение и сжатие строительных материалов, особенно в замерзших почвах, долговечность и эффективность газовых труб или электрических кабелей, зарытых в землю, схемы энергосбережения, в сельском хозяйстве выбор времени для посева, чтобы обеспечить оптимальное появление всходов и рост сельскохозяйственных культур, измерение выбросов парниковых газов как тепло влияет на высвобождение углекислого газа из почвы. Термические свойства почвы также становятся важными в таких областях науки об окружающей среде, как определение движения воды в радиоактивных отходах и обнаружение закопанных наземных мин .
Использование
[ редактировать ]Тепловая инерция почвы позволяет использовать ее для подземного хранения тепловой энергии. [ 1 ] Солнечную энергию можно перерабатывать летом в зиму, используя землю в качестве долгосрочного хранилища тепловой энергии, а ее можно использовать с помощью геотермальных тепловых насосов зимой .
Изменения количества растворенного органического углерода и органического углерода в почве могут влиять на ее способность дышать, увеличивая или уменьшая поглощение углерода почвой. [ 2 ]
Кроме того, критерии проектирования MCS для геотермальных тепловых насосов с мелким контуром требуют точных измерений теплопроводности на месте. [ 3 ] Это можно сделать с помощью вышеупомянутого теплового датчика для точного определения теплопроводности почвы на участке.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Межсезонный теплообмен» . Icax.co.uk. Проверено 3 июня 2014 г.
- ^ Эллисон, Стивен Д.; Валленштейн, Мэтью Д.; Брэдфорд, Марк А. (2010). «Реакция почвенного углерода на потепление зависит от физиологии микробов». Природа Геонауки . 3 (5): 336–340. Бибкод : 2010NatGe...3..336A . дои : 10.1038/ngeo846 .
- ^ «Испытание теплопроводности почвы» . Soilthermalconductivity.com.au . Проверено 23 февраля 2016 г.
- Бристоу К.Л., Клюйтенберг Г.Дж., Годинг С.Дж., Фицджеральд Т.С. (2001). «Небольшой многоигольный зонд для измерения тепловых свойств, содержания воды и электропроводности почвы». Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве . 31 (3): 265–280. дои : 10.1016/S0168-1699(00)00186-1 .