загрузка...
Экология  | Жароустойчивость растения
Экология

Теплообмен на поверхности почвы и в слое растений

ТЕПЛООБМЕН НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ

Разберем сначала теплообмен на ровной поверхности почвы, лишенной растительности и непосредственно освещенной солнцем (рис. 14), чтобы потом рассмотреть влияние растительности на изменения этого теплообмена. На верхней границе атмосфера получает радиацию, инсоляцию, равную 1,39 ikBt-m-2, или 1,39Х ХЮ3 Дж-м~2-с-1. Это так называемая солнечная постоянная, которую примем за 100%.

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 14. Теплообмен у ровной поверхности почвы, лишенной, растительности (по Гейгеру, 1960): 1 — переносе тепла за счет коротковолновой радиации; 2 — длинноволновой радиации; 3 — молекулярной теплопроводности; 4 — турбулентного обмена; 5 — изменений агрегатного состояния воды

Основные газы атмосферы (азот, кислород) почти не поглощают инсоляции, но вот переменные ее составные части сильно поглощают именно длинноволновую часть излучения. Особенно хорошо она поглощается и рассеивается водяными парами, меньше — окислами азота и соединениями углерода, пылью и т. д. Большое значение в поглощении имеют углекислый газ и озон. При прохождении через атмосферу 25% тепловых лучей (инсоляции) рассеивается молекулами воздуха, пылью, водяными парами; эту часть называют диффузным рас сеянием. При этом 9% возвращается обратно в космос, т. е. остается так называемая рассеянная радиация неба, или противоизлучение, равное 16% (25—9). Далее, 33% от общей солнечной радиации составляет отражение от облаков и тоже уходит в космос. Таким образом, из солнечной постоянной для Земли теряется 42% (9+33). Поэтому говорят, что отражение, или альбе до Земли, равно 0,42 (или 42 %). Следовательно, в атмосферу проникает только 58% от общего солнечного излучения. 15% общей инсоляции поглощается газами.при прохождении через атмосферу что вызывает частичное нагревшие воздушной оболочки. То есть до земной поверхности доходит лишь 43% (58—15) огг общей инсоляции (солнечной постоянной). Но из этих 43%, как мы уже говорили, 16% составляют рассеянную радиацию неба (или противоизлучение). В итоге из прямого солнечного излучения (солнечной постоянной) до поверхности Земли доходит только 27% (43—16). Следовательно, мы видим, что из тех 58%, которые проникли в атмосферу, большая часть теряется для теплового режима ровной поверхности почвы. Конечно, это среднее значение зависит от многих условий. Так в ясные дни облучение.почвы намного сильнее, чем в пасмурные. Многое зависит от свойств инсолируемой поверхности, особенно если она не лишена растительности (рис. 15). Например, лиственная подстилка, рыхлый снег, сфагнум и другие используют инсоляцию сильнее, чем песок или скалы.

Если говорить об изменении инсоляции в течение года, то надо от метить, что она будет тем сильнее, чем более отвес но падают солнечные лучи, т. е. сильнее летом. Так, для Москвы средне месячное напряжение солнечной радиации (в Дж м-"2 - с-1) меняется следующим образом: январь — 643; февраль — 741; март—825; апрель— 860; май — 853; июнь — 825; июль — 818; август — 769; Сентябрь — 818; октябрь —769; ноябрь — 671; декабрь — 559. Инсоляция увеличивается и при подъеме в горы. Здесь это объясняется тем, что по мере подъема значительно уменьшаются потери энергии при прохождении через более чистый и тонкий слой атмосферы. Для поверхности, перпендикулярной к лучам, инсоляция (Дж-м-з-с-1) увеличивается с 559 на высоте 100 м над ур. м. до 1119 на высоте 4000 м. Такое усиление инсоляции в высокогорном поясе имеет большое значение для альпийских растений и растительности, хотя здесь очень большую роль играет и экспозиция склона. Мы привели некоторые данные получения тепла почвой, лишенной растительности.

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 15. Использование поступающего лучистого тепла в зависимости от свойств инсолируемой поверхности (по Гейгеру, 1960)

Одновременно с прогревом почвы идет определенная отдача или потеря тепла чистой поверхностью почвы. 1. Отведение или проведение тепла от поверхности почвы к ее нижним слоям. Этот процесс зависит от степени теплопроводности почвы: чем она больше, тем меньше нагревается поверхность (тепло уходит вглубь). Особенно большое значение имеют самые верхние слои почвы. Например, из-за малой теплопроводности подстилки почва остается весной холодной. Тепло нагретой (голой) почвы (соответственно ее теплопроводности) проникает вглубь (отводится вниз) как бы в виде волн, ослабляющихся с глубиной. Суточный ход температуры почвы (рис. 16) на разных глубинах зависит от характера почвы. На глубине 1 см у супесчаной почвы амплитуда температур может достигать 20°. Максимум наступает около полудня. По мере углубления амплитуды уменьшаются, а максимум все время запаздывает — на глубине 20 см он наступает уже около 18 ч. На глубине 40 см наблюдается как бы обратный ход температур, т. е. в полдень отмечаются более низкие температуры и амплитуда здесь не превышает 2°. На глубине 80 см температуру можно считать постоянной.

загрузка...

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 16. Суточный ход температуры песчанистой почвы на различной глубине (по Гейгеру, 1960)

Колебания годовых температур (рис. 17) проявляются в почве значительно глубже, и амплитуды здесь больше. С глубиной амплитуды сглаживаются, а на глубине 5 — 7 м ход температур уже обратный, т. е. летом почва Самая холодная, а зимой самая теплая, что является следствием запаздывания тепловой волны. Конечно, надо иметь в виду, что эти годовые амплитуды зависят от выраженности климатических сезонов. Например, в тропиках даже на глубине 40—50 см амплитуда не превышает 2°.

На проникновение волн тепла в глубь почвы сильно влияет снежный покров: зимой температура почвы на определенной глубине бывает обычно выше температуры воздуха. У сухой почвы падает теплопроводность, поэтому нередко ночью температура почвы после засухи может быть ниже температуры воздуха.

Второй путь отдачи тепла поверхностью почвы — эффективное излучение его в атмосферу. Теплообмен идет по направлению кверху. Это в основном инфракрасное излучение, которое очень сильно поглощается воздухом, что приводит к прогреву его нижних слоев.

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 17. Годовой ход температуры почвы на различной глубине (по Гейгеру, 1960)

Третий путь, имеющий большое значение для нагрева при почвенного слоя воздуха — диффузия, или теплообмен. В этом случае прилегающий к поверхности слой воздуха прогревается прямой теплоотдачей с поверхности почвы. Нагретый воздух становится более легким и поднимается, а более холодные тяжелые (плотные) массы воздуха размещаются под теплыми. Происходит постоянная турбулентность, перемещение слоев воздуха, и поэтому температура нижнего слоя очень.изменчива в вертикальном направлении и во времени. Градиент температур в полдень у поверхности почвы очень велик как по направлению вверх, так и вниз.

Наконец, потеря тепла с испаряющейся влагой. Температура почвы сильно зависит от влажности почвы. То тепло, которое затрачивается на испарение воды (теплота испарения), во влажных почвах может составлять до 30% всего теплооборота. Поэтому при равной инсоляции поверхность более сырой почвы всегда холоднее поверхности более сухой теплой почвы. К тому же теплопроводность сырых почв выше, что ведет к еще большему их охлаждению. В этом одна из причин того, что поверхность мокрых почв всегда холоднее, чем соседних сухих.

Многое зависит от теплоемкости почвы. Теплоемкость — это свойство почвы поглощать тепло. Она выражает количество тепла, затрачиваемое на нагревание 1 г или 1 см3 сухой почвы на 1°. Теплоемкость зависит от минералогического, механического состава и влажности почвы, а также от содержания в ней органических веществ. По мере повышения влажности теплоемкость почвы возрастает. Глинистые почвы более влагоемки весной и медленно прогреваются, поэтому их называют холодными почвами. Легкие почвы (песчаные, супесчаные) весной прогреваются быстрее, вследствие чего их называют теплыми. Теплоемкость рыхлых почв, отличающихся высокой пористостью, значительно выше, чем плотных.

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 18. Градиент температуры при углублении в почву и под ней в условиях пустыни

Обобщая сказанное, можно сделать следующие выводы: чем суше почва, чем меньше ее теплопроводность, тем сильнее ее поверхность прогревается, а поэтому тем большую часть поглощенного тепла она отдает прилегающему к ее поверхности слою воздуха. Но в то же время такие почвы за день запасают меньше тепла, поэтому ночью их поверхность сильнее охлаждается, что вызывает и более сильное охлаждение прилегающего слоя воздуха. Поэтому температурные условия подобных сухих местообитаний менее благоприятны, а это влияет и на распределение растительности.

Теплопроводность и теплообмен с воздухом сильно зависят от структуры, от порозности почвы. Чем больше в почве пространств, заполненных воздухом, чем она рыхлее, тем меньше ее теплопроводность, т. е. сильнее прогревается ее поверхность (например пашни). На теплообмен между почвой и прилегающим слоем воздуха сильно влияет цвет почвы — светлые почвы отражают много инсоляции, а черные поглощают ее почти полностью. Поэтому, например, темные почвы лесных пожарищ легко поглощают инсоляцию и становятся теплее. В связи с этим теплообмен можно изменить применением органических удобрений. Так, если на светлом песке (т. е. на плохом накопителе тепла) применить, например, торф, то безморозный период можно почти удвоить, утеплив этим почву.

Из сказанного ясно, что наивысшая температура в полдень.наблюдается а границе между воздухом и нагретой солнцем поверхностью почвы. От этого уровня температура более или менее быстро понижается как по направлению кверху, так и вниз, в глубь почвы.

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 19. Теплообмен у ровной поверхности почвы ночью. Обозначения те же, что и на рис. 14

Наблюдается распределение температур типа инсоляции (рис. 18). Иначе говоря, отмечается отрицательный температурный градиент по направлению вверх и вниз. Но вот в холодные зимние, а часто и в обычные ночи теплообмен у поверхности земли меняет свой характер (рис. 19). Здесь уже ясно выражено распределение температур типа излучения. Ночью солнечная радиация (инсоляция) отсутствует, и, следовательно, теплообмен в течение ночи в основном зависит от собственного теплового излучения Земли (поэтому называется тип излучения). Было подсчитано, что излучение Земли как космического тела слабее излучения Солнца в 204 раз. Однако это сравнительно небольшое излучение Земли, или собственное излучение земной поверхности, играет весьма существенную роль в климате припочвенного слоя воздуха. Это излучение особенно велико в ясные безветренные ночи. Земная атмосфера в силу содержания переменных компонентов (особенно СО2) с трудом пропускает излучение, исходящее от Земли (экранирует его). Только 12% ночного земного излучения проходит через атмосферу и уходит в космос; это так называемое уходящее излучение. Остальная часть создает как бы нисходящий обратный (отраженный от атмосферы) поток энергии, направленный к Земле. Его обозначают как противоизлучение атмосферы. Таким образом, общая величина земного излучения уменьшается. Подобный лучистый обмен между поверхностью Земли и атмосферой называют эффективным излучением земной поверхности (см. рис. 19). Иначе говоря, эффективное излучение земной поверхности — это разность между собственным излучением земной поверхности и той энергией, которую поверхность земли.получает обратно от противоизлучения атмосферы, т. е. чем больше.противоизлучение, тем меньше эффективное излучение. А проще: это разность между -восходящими и нисходящими потоками теплового излучения на уровне земной поверхности.

Противоизлучение обладает сравнительно простым суточным ходом. Его максимальные величины отмечены. в послеполуденные часы. При облачности эффективное излучение уменьшается, т. е. возрастает противоизлучение от облаков, представляющих собой мощный экран. По той же причине сильно падает эффективное излучение в туман или при задымлении (почему его используют для предохранения садов от мороза). Очень велико эффективное излучение в пустынях, при сухом воздухе и почти всегда безоблачном небе; здесь характерны холодные ночи. При подъеме в горы, с уменьшением массы воздуха над пунктом наблюдения, тоже сильно уменьшается противоизлучение, поэтому опять значительно усиливается эффективное излучение. Следовательно, в альпийском поясе крайность микроклимата проявляется,не только в большом получении тепла днем (из-за усиления интенсивности радиации), но одновременно в большой потере тепла ночью из-за возрастания эффективного излучения. В лесу эффективное излучение уменьшается, так как кроны увеличивают противоизлучение, поэтому ночное выхолаживание в лесу значительно меньше, чем на лугу.

Эффективное излучение, вместе с потерями тепла на испарение, обусловливает так называемое ночное выхолаживание почвы. Однако понижение температуры почвы ночью несколько ослабляется поступлением тепла из более глубоких ее горизонтов, накопившегося там за день. Одним из следствий ночного охлаждения поверхности почвы и припочвенного слоя воздуха является конденсация паров в форме росы летом (см. рис. 19) и инея зимой. Особенно сильно охлаждаются поверхности тех почв, которые имеют плохую теплопроводность. Поэтому, например, тепловой режим осушенных торфяников очень неблагоприятен зимой, так как у них из-за плохой теплопроводности поток тепла из глубоких слоев почвы уменьшен и наблюдается особенно сильное выхолаживание, хотя при сильной инсоляции сухие почвы днем и летом прогреваются сильнее всего.

Теплообмен на поверхности почвы

Рис. 20. Инверсия нормального температурного градиента над поверхностью почвы.

Ночью поверхность почвы обычно имеет самую низкую температуру, и она возрастает как по направлению вверх от поверхности, так и вниз. Но потеря тепла поверхностью почвы ночью так сильна, что она охлаждается намного раньше прилежащих к ней слоев воздуха. Отсюда слои воздуха, соприкасающиеся с поверхностью почвы, отдают ей свое тепло и становятся более холодными, чем вышележащие слои. В том случае, когда самые нижние слои становятся самыми холодными, говорят об инверсии нормального температурного градиента (рис. 20), или об обратном ходе температур, поскольку нормально наблюдается понижение температуры с высотой. Между прочим, эта кривая показывает, насколько неблагоприятны условия микроклимата самого нижнего приземного слоя воздуха в случае заморозков. Такая инверсия усугубляется длинными ночами с ясным небом, холодным сухим воздухом при штилевой погоде, снегом, который поглощает много тепла из прилежащего слоя воздуха. Таковы закономерности распределения температур типа излучения.

Если мы сопоставим кривые типа излучения и типа инсоляции, или распределение температур над поверхностью почвы ночью и днем, то увидим, что они зеркальны, а при облачности кривые выравниваются, сближаются (рис. 21).

  • Реклама