Процеси нагрівання та охолодження грунту

Сонячна радіація, поглинаєма поверхнею суші, перетворюється у тепло. Частина цього тепла використовується на нагрівання приземного шару атмосфери, рослин, випаровування води, передається в нижні шари атмосфери. Оскільки прихід сонячної радіації різний на протязі доби та року, то температура грунту також змінюється і іноді в дуже широких межах.

Температурний режим земної поверхні в основному обумовлюється радіаційним балансом, тобто залежить вид приходу сонячної радіації, величини альбедо та ефективного випромінювання. При позитивному радіаційному балансі верхній шар грунту нагрівається. При цьому частина тепла, поглинаєма цим шаром, віддається атмосфері, друга частина витрачається на випаровування, а якась кількість передається в глибину грунту. Якщо радіаційний баланс від’ємний, то верхній шар грунту охолоджується і тоді тепло з глибини грунту поступає до її поверхні. Це викликає охолодження в глибині грунту.

Для процесів нагрівання та охолодження грунту велике значення мають випаровування і конденсація водяної пари на її поверхні. При конденсації виділяється тепло, яке нагріває грунт, а на випаровування тепло витрачається, тому проходить охолодження грунту.

Розглянемо тепловий баланс верхнього шару грунту. Під тепловим балансом грунту приймають прихід і витрати тепла груном:

Т_S – тепло від потоків прямої сонячної радіації;

Т_D – тепло від потоків розсіяної радіації;

Т_хім. – тепло, отримане грунтом за рахунок екзогенних хімічних реакцій;

Т_атм – тепло, яке надходить з атмосфери;

Т_з – тепло, яке надходить з глибини Землі;

Т_кон – тепло, отримане грунтом при конденсації пароподібної вологи в грунтових порах;

Т_R – тепло, яке втрачається з відбитою сонячною радіацією;

Т_вип. – тепло, яке використовується на випаровування;

Т_пов – тепло, яке використовується на нагрівання приземного шару повітря;

Т_випр. – Тепло, яке випромінюється грунтом;

Т_гл – тепло, яке надходить в глибини Землі.

Кількість тепла відповідно статтям детального теплового балансу досить мінлива, вона залежить не тільки від властивостей грунту, але головним чином від складних режимів, які впливають на тепловий баланс.

В метеорології надходження і витрати тепла на земній поверхні розглядаються з позиції головного джерела теплової енергії – сонячної радіації. Це рівняння складається із слідуючих складових частин; радіаційні потоки тепла, алгебраїчна сума яких складає радіаційний баланс В; турбулентний потік перемішування та перенесення тепла між земною поверхнею та атмосферою Р; молекулярна теплота, що передається в глибинні шари грунту А; витрати тепла на випаровування LE , де L – теплота пароутворення (біля 600 кал/г), Е – швидкість випаровування. Спрощене рівняння теплового балансу грунту має вигляд:

Співвідношення між членами правої частини рівняння теплового балансу характеризує розпреділення тепла, отриманого земною поверхнею при позитивному радіаційнім балансі на нагрівання грунту, приземного шару атмосфери і на випаровування. На грунтах з надмірною вологою затрати тепла на випаровування більші, ніж на нагрівання грунту та повітря. Якщо в грунті мало вологи, то радіаційне тепло витрачається в основному на нагрівання грунту, рослин та повітря. Складові частини теплового балансу земної поверхні в значній мірі впливають на температурний режим грунту.

Літнього дня в середніх широтах тепловий баланс грунту має позитивне значення, вночі він від’ємний, що пов’язано з відповідною зміною температури грунту.

Між поверхнею грунту та її глибинними шарами проходить безперервний обмін теплом. Передача тепла в грунті проходить в основному за рахунок молекулярної теплопровідності. Потік тепла, який направлений від поверхні до глибинних шарів, характерний для періодів, коли поверхня грунту тепліша ніж глибинні шари ( вдень, влітку). Цей тип розпреділення температури в грунті називають типом інсоляції.Він визначається перевищенням надходження радіації над її витратами (позитивний радіаційний баланс). Якщо поверхня грунту холодніша за глибині шари тепло направляється з глибини на поверхню. Такий тип розпреділення температури в грунті називається

Він спостерігається при від’ємному балансі (взимку, вночі).

Нагрівання та охолодження грунту залежить від його теплофізичних характеристик.