Температурные колебания по глубине почвы

Распространение тепла в глубь почвы

1. К распространению тепла в почве применима общая теория молекулярной теплопроводности, предложенная в свое время Фурье, и законы распространения тепла в почве носят название законов Фурье. Наблюдения показывают, что фактическое распространение тепла в почве достаточно близко соответствует этим законам.

! Чем больше плотность и влажность почвы, тем лучше она проводит тепло, тем быстрее распространяются в глубину и тем глубже проникают колебания температуры. Но, независимо от типа почвы, период колебаний температуры не изменяется с глубиной (первый закон Фурье). Это значит, что не только на поверхности, но и на глубинах остается суточный ход с периодом 24 ч и годовой ход с периодом 12 мес.

. Однако амплитуды колебаний с глубиной уменьшаются. При этом возрастание глубины в арифметической прогрессии приводит к уменьшению амплитуды в прогрессии геометрической (второй закон Фурье). Так, если на поверхности суточная амплитуда равна 30 °С, а на глубине 20 см 5 °С, то на глубине 40 см она будет уже менее 1 °С (рис. 18).

На некоторой сравнительно небольшой глубине суточная амплитуда убывает настолько, что становится практически равной нулю. На этой глубине (около 70-100 см, в разных случаях различной) начинается слой постоянной суточной температуры.

Амплитуда годовых колебаний температуры уменьшается с глубиной по тому же закону. Однако годовые колебания распространяются до большей глубины, что вполне понятно: для их распространения имеется больше времени. Амплитуды годовых колебаний убывают практически до нуля на глубине около 30 м в полярных широтах, около 15-20 м в средних широтах, около 10 м в тропиках (где и на поверхности почвы годовые амплитуды меньше, чем в средних широтах). На этих глубинах начинается слой постоянной годовой температуры.

Рис. 18. Суточный ход температуры почвы на различных глубинах. Павловск, май.

Рис. 19. Годовой ход температуры почвы на, различных глубинах. Калининград.

Сроки наступления максимальных и минимальных температур как в суточном, так и в годовом ходе запаздывают с глубиной пропорционально ей (третий закон Фурье). Это понятно, так как требуется время для распространения тепла в глубину. Суточные экстремумы на каждые 10 см глубины запаздывают на 2,5-3,5 ч (рис. 18). Это значит, что на глубине, например, 50 см суточный максимум наблюдается уже после полуночи. Годовые максимумы и минимумы запаздывают на 20-30 суток на каждый метр глубины. Так, в Калининграде на глубине 5 м минимум температуры наблюдается не в январе, а в мае, максимум- не в июле, а в октябре (рис. 19).

Четвертый закон Фурье говорит о том, что глубины слоев постоянной суточной и годовой температуры относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний, т. е. как 1 : д/365. Это значит, что глубина, на которой затухают годовые колебания, в 19 раз больше, чем глубина, на которой затухают суточные колебания. II этот закон, так же как и остальные законы Фурье, достаточно хорошо подтверждается наблюдениями.

Усложнения вносятся неоднородностью состава и структуры почвы. Кроме того, тепло распространяется в глубь почвы вместе с просачиванием осадков, что, конечно, не подчиняется законам молекулярной теплопередачи.

С различиями в годовом ходе температуры на разных глубинах связано распределение температуры в почве по вертикали в разные сезоны. Именно, летом температура от поверхности почвы в глубину падает, зимой растет, весной она сначала растет, а потом убывает, осенью сначала убывает, а затем растет.

Рис. 20. Изоплеты годового хода температуры почвы. Тбилиси.

2. Изменения температуры в почве с глубиной в течение суток или года можно представить с помощью графика изоплет. По оси абсцисс откладывается время в часах или в месяцах года, а по оси ординат — глубина в почве. Каждой точке на графике соответствуют определенное время и определенная глубина. На график наносят средние значения температуры на разных глубинах в разные часы или месяцы. Проведя затем изолинии, соединяющие точки с равными температурами, например через каждый градус или через каждые 2 градуса, получим семейство термоизоплет (рис. 20). По такому графику можно определить значение температуры для любого момента суток или дня года и для любой глубины в пределах графика.

форсунок в ультразвуковых ваннах и на стендах

широкого применения

для дезинфекции на объектах железнодорожного транспорта, пищевой промышленности, ЛПУ, ветеринарного надзора

для железнодорожного транспорта, сертифицированные ВНИИЖТ- «Фаворит К» и «Фаворит Щ», внутренняя и наружная замывка вагонов.

Источник

Закономерности распространения тепла в почве

Суточные и годовые колебания температуры поверхности почвы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Распространение температурных колебаний вглубь почвы (при однородном составе почвы):

· Период колебаний с глубиной не изменяется, т.е. как на поверхности почвы, так и на всех глубинах интервал между двумя последовательными минимумами и максимумами температуры составляет в суточном ходе 24 ч, а в годовом 12 месяцев.

· Если глубина растет в арифметической прогрессии, то амплитуда уменьшается в геометрической прогрессии, т.е. с увеличением глубины амплитуда быстро уменьшается.

Слой почвы, температура в котором в течение суток не изменяется, называют слоем суточной температуры. В средних широтах этот слой начинается с глубины 70-100 см. Максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы. Это запаздывание прямо пропорционально глубине. Суточные максимумы и минимумы запаздывают на каждые 10 см глубины в среднем на 2,5-3,5 ч, а годовые на каждый метр глубины запаздывают на 20-30 суток.

Согласно теоретическим расчетам Фурье, глубина, до которой проявляется годовой ход температуры почвы, должна примерно в 19 раз превышают глубину проявления суточных колебаний. В действительности наблюдаются значительные отклонения от теоретических расчетов, и во многих случаях глубина проникновения годовых колебаний оказывается больше расчетной. Это обусловлено различием во влажности почвы по глубинам и во времени, изменением температуропроводности почвы с глубиной и другими причинами. Слой постоянной годовой температуры в средних широтах залегает глубже 15-20 м. Однако следует учитывать, что глубже 5 м изменения температуры измеряется десятыми долями градуса. Изменение температуры по сезонам и с глубиной носит название режимные наблюдения, а сами колебания – температурный режим почв.

Теплоемкость почвы – количество тепла которое надо затратить, чтобы изменить 1 см3 почвы на 1 град. С. Она составляет2,0-2,5 Дж/см3. Вода обладает самой высокой теплоемкостью, поэтому чем её больше, тем выше теплоемкость. Теплопроводность – это скорость передачи тепла в почвах. Количество тепла прошедшее через единичную площадь на ед. расстояние за единицу времени при градиенте температур 1 град. С. Измеряется в Вт/(м на град. С). Температуропроводность – изменение температуры 1 см3 при поступлении пепла за 1 с через площадь 1 см2 при разности температур 1 гард.С на расстоянии 1 см.

К –Температуропроводность; λ – Теплопроводность, СV – объемная теплоемкость.

Тепловой баланс. Поступление и расход энергии в почве носит название тепловой баланс: поступающая энергия (кал) на единицу поверхности почвы (см2) за время (мин), часть которой отражается поверхностью, излучается обратно, теряется при турбулентном обмене энергией с атмосферой, а часть поглощается почвой и аккумулируется. Поглощенная энергия расходуется на нагрев почвы, химические реакции и испарения воды.

Уравнение теплового баланса подстилающей поверхности имеет вид: R + L_r +Р+А+Ф = 0.

Где R – поступающая радиация, Lr – теплота испарения и конденсации, P – турбулентный обмени с атмосферой, А – адвекция, представляющая перенос тепла в горизонтальном направлении, Ф – внутрипочвенный вертикальный теплоперенос.

Источник

Записки проектировщика

Современные технологии проектирования и строительства зданий

Расчёт температуры грунта на заданной глубине

Часто при проектировании раздела “Энергоэффективность” для моделирования температурных полей, расчёта глубины промерзания и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине. Рассмотрим способы определения температуры грунта для малых и больших глубин.

Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.

Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, несколько простых способов. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:

1. Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. “Переходы железных дорог трубопроводами”. Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.

1. Таблица температур грунта на различных глубинах из источника “в помощь работнику газовой промышленности” еще времён СССР.

Можно, конечно, попробовать рассчитать температуру грунта, например, по методике, изложенной в книге С.Н.Шорин “Теплопередача” М.1952. На стр.115 через распределение амплидуд колебаний температуры в массе грунта. Но такой расчёт весьма сложный и не всегда оправдан.

Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.

3.Зависимость температуры грунта от глубины

С увеличением глубины температура в грунте увеличивается согласно адиабатическому закону в зависимости от степени сжатия вещества под давлением при невозможности теплообмена с окружающей средой.

Нагрев Земли осуществляется, в основном, засчёт источников тепла:

• тепло, образующееся засчет химических реакций в земной коре.
• тепло радиоактивного распада элементов.
• остаточное тепло Земли.
• гравитационное тепло, выделяющееся при сжатии Земли и распределении вещества по плотности.
• тепло, выделяющееся при приливном трении Земли.

Различают 3 температурные зоны:

I – зона переменных температур. Изменение температуры определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубине около 1,5 м, а годовые на глубинах 20…30 м.

Iа – зона промерзания.

II – зона постоянных температур, находящаяся на глубинах 15…40 м в зависимости от региона.

III – зона нарастания температур.

Температурный режим горных пород в недрах земной коры принято выражать геотермическим градиентом и геотермической ступенью.

Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом. В Африке на месторождении Витватерсранд оно равно 1,5 °С, в Японии (Эчиго) – 2,9 °С, в Южной Австралии – 10,9 °С, в Казахстане (Самаринда) – 6,3 °С, на Кольском полуострове – 0,65 °С.

Зоны температур в земной коре: I – зона переменных температур, Iа – зона промерзания; II – зона постоянных температур; III – зона нарастания температур

Глубина, при которой температура повышается на 1 градус, называется геотермической ступенью.

Числовые значения геотермической ступени непостоянны не только на разных широтах, но и на разных глубинах одной и той же точки района. Величина геотермической ступени изменяется от 1,5 до 250 м.

В Архангельске она равна 10 м, в Москве – 38,4 м, а в Пятигорске – 1,5 м. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м.

В скважине, пробуренной в Москве на глубину 1630 м, температура в забое составила 41 °С, а в шахте, пройденной в Донбассе на глубину 1545 м, температура оказалась равной 56,3 °С. Наиболее высокая температура зафиксирована в США в скважине глубиной 7136 м, где она равна 224 °С. Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения Согласно расчетам, на глубине 400 км температура должна достигать 1400…1700 °С. Наиболее высокие температуры (около 5000 °С) получены для ядра Земли.

Поэтому самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта – воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.

Глубины промерзания грунта по разным населенным пунктам и регионам России можно посмотреть здесь.

Источник