Полякова Л.С., Кашарин Д.В. Метеорология и климатология

Тепловой режим почвы. Теплоемкость и теплопроводность почвы

Тепловой режим почвы зависит от ее теплофизических характеристик, основными из которых являются теплоемкость и теплопроводность.

Различают объемную и удельную теплоемкость почвы. Объемной теплоемкостью Соб называют количество тепла, требующееся для нагревания 1 м куб. почвы на 1°С. Удельной теплоемкостью Суд называют количество тепла, требующееся для нагревания 1 кг почвы на 1°С. Объемную теплоемкость выражают в удельную – Дж/(кг·°К).

Между объемной и удельной теплоемкостями существует соотношение

Соб = Суд·ρ

где ρ – плотность почвы, кг/м куб.

Объемная теплоемкость минеральных частей почвы находится преимущественно в пределах 2,0-2,5 Дж/(м куб.·°К), но у воды и воздуха она различается более чем в 3000 раз. Поэтому теплоемкость почвы зависит не столько от ее минерального состава, сколько от соотношения воздуха и воды, находящихся в почвенных порах.

Способность почвы передать тепло от слоя к слою называется теплопроводностью. Мерой теплопроводности служит коэффициент теплопроводности λ, численно равный количеству тепла, проходящему за 1 секунду через сечение 1 м кв. слоя толщиной 1 м при разности температур на границах слоя в 1°С. Теплопроводность зависит от минерального состава почвы, ее влажности и содержания воздуха в порах почвы.

Поскольку коэффициент теплопроводности воздуха в почве почти в 25 раз меньше чем воды, то и теплопроводность почвы, как и ее теплоемкость зависит от влажности почвы. При замерзании почвы ее теплопроводность увеличивается, так как теплопроводность льда почти в 4 раза больше теплопроводности воды.

Одной из проблем современных исследований в метеорологии является разработка методов и средств измерений, способствующих уменьшению погрешности оценки теплопроводности увлажненных почв. Для оценки зависимости λ = f(w) (w – влажность почвы) наиболее перспективным в настоящее время является нестационарный метод цилиндрического зонда постоянной мощности.

Отношение коэффициента теплопроводности к объемной теплоемкости почвы называется коэффициентом температуропроводности К:

Коэффициент температуропроводности почв

Этот коэффициент характеризует скорость распределения тепла в почве.

Теплофизические характеристики почвы зависят от ее цвета, плотности, структуры.
Большое влияние на температурный режим почвы оказывает рельеф. Степень нагревания и охлаждения почвы в значительной мере зависит от формы рельефа, ориентации склонов и их крутизны. По сравнению с горизонтально расположенными участками, южные склоны в северном полушарии получают больше тепла, а северные меньше. В южном полушарии зависимость обратная.

Растительный покров затеняет поверхность почвы, поглощая значительную часть приходящей солнечной радиации. Но в то же время он уменьшает охлаждение почвы, вызываемое ее эффективным излучением.

Все же в целом почва под растительным покровом летом холоднее, чем оголенная, а зимой теплее.

Тепловой режим почвы в зимний период в значительной мере обусловлен снежным покровом. Теплопроводность снега очень мала, что снижает теплообмен между почвой и атмосферой. Таким образом, снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания и резких колебаний температуры. Поэтому глубина промерзания почвы уменьшается с увеличением высоты снежного покрова.