Суточные закономерности переноса тепла и влаги в почве

С момента выходе в свет работ Фурье, впервые решившего задачу о распространении тепла в почве, и экспериментальных исследований В. В. Докучаева и А. А. Измаильского вопросы исследования закономерностей переноса тепла и влаги в почве сохранили свою актуальность.
Известно много работ по исследованию состояния почвенной влаги, ее* подвижности, доступности для растений, фильтрации, по испарению влаги из почвы, работ по определению. коэффициентов переноса тепла в почвенных образцах и других работ, близких по тематике к явлениям переноса,, но годовые и суточные закономерности переноса тепла и влаги в почвах исследованы еще недостаточно.
Попытку исследования суточных закономерностей переноса тепла и влаги в почве сделал А. Ф. Лебедев (3, 4). Эксперименты, проведенные им в полевых условиях с применением волосяного гигрометра и термографа представляют большой интерес и являются первым опытом совместного изучения тепло- и массообмена в почве. Измеряя температуру и упругость водяных паров почвенного воздуха на глубине 5, 10 и 20 см от поверхности, А. Ф. Лебедев обнаружил определенные суточные закономерности движения водяного пара в почве. Многие выводы, сделанные им по результатам опытов, противоречивы и неверны, что явилось следствием влияния распространенной тогда теории Фольгера и примитивности применяемых приборов. Однако ему удалось обнаружить явления конденсации водяных паров в определенных слоях почвы и изменение упругости пара почвенного воздуха на изучаемых глубинах в течение суток.
Современная теория переноса тепла и вещества, разработанная А. В. Лыковым (5, 6) на основании многих экспериментальных работ, утверждает, что теплообмен неотделим от массообмена. Нагревание влажных тел всегда вызывает перенос влаги, влага в свою очередь переносит тепло. Эти два процесса связаны и взаимно обусловливают друг друга.
Основные положения теории переноса остаются в силе и для случая нагревания влажной почвы.
Аналитическое решение задачи о переносе тепла и влаги в почве показывает, что тепло в почве распространяется волнами с периодом в 24 часа.
Амплитуда температурных колебаний быстро уменьшается по глубине почвы. Значительное влияние на перенос тепла оказывает движение влаги, явления испарения и конденсации пара в почве.
В свою очередь большой температурный градиент, наблюдаемый в поверхностных слоях почвы, должен сильно влиять на перенос влаги, изменяя потенциал переноса ее.
Изменения избыточного потенциала переноса влаги быстро затухают по глубине почвы, поэтому на глубине 50—60 см от поверхности почвы перенос влаги в первом приближении можно считать изотермическим.
Экспериментальные исследования суточных закономерностей переноса тепла и влаги в почве проводились нами как в полевых условиях, так и в лаборатории на специально сконструированной установке.
При полевых исследованиях в продолжение нескольких суток на поверхности почвы и на глубине 5, 10, 15, 25, 40 и 60 см от поверхности почти через каждый час замерялась температура почвенных частичек, температура порозного воздуха и температура мокрого термометра порозного воздуха почвы. Кроме того, замерялась влажность почвы на исследуемых горизонтах и параметры надпочвенного воздуха на расстоянии 1 см от поверхности почвы.
Измерение температуры производилось системой термопар, горячие спаи которой оформлялись по-разному в зависимости от назначения. Для измерения температуры скелета почвы (почвенных частичек) применялись термопары, оплавленные стеклом так, что спай термопары находился в центре стеклянной капельки, моделирующей почвенную частичку.
Температура порозного воздуха почвы (1с) и температура мокрого термометра (\м) порозного воздуха изменялись с помощью специально сконструированного термопсихрометра.
В поле для исследования выбиралась ровная вспаханная площадка без посева и орошения, на которой выкапывали колодец размером 50X70 и глубиной 60 см. Датчики и углубляли горизонтально в стенки колодца на глубину 10—12 см в нетронутые слои на различном расстоянии от поверхности почвы. Провода от термопар выводили на поверхность почвы к измеряющей аппаратуре. После этого все отверстия тщательно замазывали, почву укладывали в колодец в обратном порядке и утрамбовывали до плотности нетронутого слоя. Замеры начинали через сутки после установки системы датчиков. Точность измерения температуры была порядка 0,3°. Помимо температуры скелета почвы и параметров порозного воздуха исследовали распределение влажности по глубине почвы в различное время суток путем отбора проб с различных горизонтов при помощи обыкновенного бура, по длине которого нанесены метки для определения глубины отбора.
Опыты выявили закономерности переноса тепла и влаги в почве.
Ниже приводится табл. 1, включающая основные данные одного опыта, я также график, показывающий распространение температурной волны вглубь почвы, величину и направление температурного градиента в любое время суток на различной глубине от поверхности почвы. Цифры на кривых обозначают время снятия кривой (время суток). Из графика видно, что уменьшение амплитуды температурных колебаний по глубине происходит быстрее, чем экспоненциальная функция, известная из решения Фурье. Первый узел кривых наблюдается в данном случае на глубине 32 см от поверхности почвы.
По величине температурного градиента (следовательно, и по интенсивности переноса) всю толщу почвы можно разделить на две зоны: верхняя, до глубины 40 см> где температурный градиент велик и достигает значения 2,5—3,0 град/см, и нижняя, где температурный градиент мал к перенос влаги в первом приближении можно считать изотермическим.
Если построить графики, представляющие собой синхронные кривые распределения температур Ьч, 1С и 1М по глубине почвы, то при сравнении суточной серии графиков можно видеть, что:
1.            Температура порозного воздуха отличается от температуры скелета почвы и разность зависит от интенсивности прогрева почвы.
Наибольшая разность наблюдается на поверхности почвы и достигает в данных опытах 10,6°. На глубине 5 см эта разность не более 1,4°, на глубине 10 см — не более 0,5°, на глубине 20 см разность (2Ч—{С) меньше ошибки измерений. Это свидетельствует о том, что конвективные потоки порозного воздуха могут развиваться лишь на небольшую глубину от поверхности почвы.
2. Порозный воздух в слоях почвы, залегающих глубже 25 см, всегда остается полностью насыщенным.
3. Если горизонт, выше которого наблюдается ненасыщенность порозного воздуха назвать горизонтом испарения, то влажность порозного воздуха по направлению от горизонта испарения к поверхности почвы постепенно уменьшается (разность 1С—увеличивается). В поверхностном слое, толщиной до 5 см, наблюдается резкое снижение влажности порозного воздуха до влажности атмосферного воздуха.
4. При нагревании почвы солнцем зона испарения постепенно углубляется.
5. В вечернее и ночное время (когда почва охлаждается с поверхности и температура частичек почвы ниже температуры порозного воздуха — Ьч < Ьс, а Ьм > Ьс поддерживаются условия конденсации водяного пара в. поверхностных слоях почвы, за счет чего эти слои увлажняются. Зона конденсации также постепенно углубляется.
В качестве иллюстрации приводятся графики распределения температур Ъ и по глубине почвы в характерное время суток (рис. 2а и 26).
На графиках отмечены зона испарения и зона конденсации. Параметры подпочвеннрго воздуха измерены психрометром Ассмана.
Общую картину переноса тепла и влаги в толще почвы можно представить следующим образом.
С восходом солнца и началом прогрева почвы начинается испарение влаги с поверхности почвы. Влажность порозного воздуха поверхностного .слоя почвы уменьшается, зона испарения постепенно углубляется. Увеличивающийся температурный градиент перемещает часть влаги перед зоной испарения в более глубокие и холодные слои почвы (термовлаго-проводность). Кроме того, здесь конденсируется водяной пар, что в совокупности образует слой повышенной влажности. Подобный, более влажный слой и наблюдали
3. К. Безойс, В. Г. Корнев и другие исследователи.
Когда температура поверхности почвы понижается, а температурный градиент изменит направление на обратное (в условиях проведенных опытов с 17—18 часов), начинается интенсивный перенос тепла и влаги к поверхности почвы.
Влага из слоя повышенного влагосодержания распределяется, в процесс переноса влаги к поверхности почвы втягиваются все более глубокие слои почво-грунта. Поскольку в поверхностных слоях температура частичек почвы в это время ниже температуры порозного воздуха (1,< с) и воздух насыщен влагой (датчики показывают (с> „), происходит конденсация пара в этих слоях, за счет чего повышается влажность и происходит интенсивный перенос тепла. Зона конденсации постепенно усугубляется и к утру следующего дня распределение влажности почвы по глубине становится таким же, как и в подобное время предыдущего дня.
Измерение влажности различных горизонтов почвы в различное время суток полностью подтвердило описание закономерности переноса тепла и .влаги в почве. Выше, в табл. 2, приводим результаты измерения влажности почвы в одном из опытов, из которых видно, что влажность поверхности почвы изменяется в течение суток от 5,5 до 2,51%, причем минимум влажности приходится на 14 часов. Минимум влажности почвы на глубине 7 см приходится на 22 часа, слоя Х= 17—на 2 часа 30 мин. и т. д.
Измерение психрометрической разности (— 1М) порозного воздуха
почвы позволяет рассчитать парциальное давление пара и его распределение по глубине почвы в любое время суток.
На рис. 3 приведено распределение парциального давления пара по глубине крымской почвы в течение одних суток. По оси абсцисс отложено это давление в капиллярах почвы в мм ртутного столба, по оси ординат — глубина в сантиметрах. Цифры на кривых указывают время суток
Как видно из рис. 3, в ночное и утреннее время парциальное давление пара на глубине 30—40 см выше, чем на поверхности почвы. Водяной .пар будет перемещаться в это время в сторону меньшего парциального давления из глубоких слоев к поверхности почвы. С началом прогрева почвы солнцем появляется максимум парциального давления на глубине около 5 см. Этот максимум быстро растет во времени и медленно продвигается вглубь почвы. Большой градиент парциального давления пара а слое до 5 см от поверхности почвы, согласно основному уравнению переноса вещества, создает интенсивный поток пара вверх в надпочвенный воздух. Одновременно пар должен перемещаться от максимума вниз, в более глубокие слои почвы и, встречая на своем пути почву с более низкой температурой, конденсироваться, повышая влагосодержание этих слоев, что и наблюдается в действительности. Таким образом, закономерность переноса влаги в почве, описанная ранее, подтверждается.
Связь и взаимную обусловленность переноса тепла и влаги в почве легко проследить на рис. 4. В этом опыте поверхность почвы теряла влагу в период прогрева почвы, а затем увлажнялась за счет конденсации пара, диффундирующего из глубоких слоев. Максимум температуры поверхности почвы соответствует по времени минимуму влажности. Подобное соответствие наблюдается и в остальных слоях.