Тепловые свойства почвы - Soil thermal properties

В тепловые свойства грунта являются составной частью физика почвы который нашел важное применение в инженерное дело, климатология и сельское хозяйство. Эти свойства влияют на то, как энергия распределяется в профиль почвы. Связанный с температурой почвы, он более точно связан с передачей энергии (в основном в форме тепла) по всей почве посредством радиация, проводимость и конвекция.

Основные термические свойства грунта:

Измерение

Трудно сказать что-то общее о тепловых свойствах почвы в определенном месте, потому что они находятся в постоянном изменении суточных и сезонных колебаний. Помимо основного состава почвы, который является постоянным в одном месте, на тепловые свойства почвы сильно влияют объемное содержание воды в почве, объемная доля твердых частиц и объемная доля воздуха. Воздух является плохим проводником тепла и снижает эффективность твердой и жидкой фаз проводить тепло. Хотя твердая фаза обладает самой высокой проводимостью, теплопроводность во многом определяется изменчивостью влажности почвы. Таким образом, влажностные свойства почвы и термические свойства почвы очень тесно связаны и часто измеряются и сообщаются вместе. Температурные колебания наиболее значительны на поверхности почвы, и эти колебания передаются в подповерхностные слои, но с меньшей скоростью по мере увеличения глубины. Кроме того, существует временная задержка в достижении максимальной и минимальной температуры при увеличении глубины почвы (иногда называемая термической задержкой).

Одним из возможных способов оценки тепловых свойств почвы является анализ колебаний температуры почвы в зависимости от глубины. Закон Фурье,

куда Q является поток горячего воздуха или скорость теплопередачи на единицу площади Дж · м−2∙ с−1 или Вт · м−2,λ теплопроводность Вт · м−1∙ К−1;dT/дз - градиент температуры (изменение температуры / изменение глубины) К · м−1.

Наиболее часто применяемый метод измерения тепловых свойств почвы - это выполнение измерений на месте с использованием систем датчиков нестабильного состояния или тепловых датчиков.

Одиночный и двойной термощуп

В методе с одним датчиком используется источник тепла, помещенный в почву, при этом тепловая энергия подается непрерывно с заданной скоростью. Тепловые свойства почвы можно определить, анализируя температурный отклик рядом с источником тепла с помощью теплового датчика. Этот метод отражает скорость, с которой тепло отводится от датчика. Ограничение этого устройства в том, что он измеряет только теплопроводность. Применимыми стандартами являются: Руководство IEEE по измерениям термического сопротивления почвы (стандарт IEEE 442-1981), а также стандартный метод испытаний ASTM D 5334-08 для определения теплопроводности почвы и мягких пород с помощью процедуры термического игольчатого зонда.

Малый размер неустойчивого зонда: зонд состоит из иглы (3) с одним спаем термопары (6) и нагревательного провода (5). Он вставляется в исследуемую среду.
Пример полной системы для измерения теплопроводности почвы, специально разработанной для измерений на глубине около 1,5 метров от поверхности почвы, что является типичной глубиной заглубления высоковольтных кабелей.

После дальнейших исследований была разработана двухзондовая технология теплового импульса. Он состоит из двух параллельных игольчатых зондов, разделенных расстоянием (r). Один зонд содержит нагреватель, а другой - датчик температуры. Устройство с двойным зондом вставляется в почву, подается тепловой импульс, и датчик температуры регистрирует отклик как функцию времени. То есть тепловой импульс посылается от зонда через почву (r) к датчику. Большим преимуществом этого устройства является то, что он измеряет как коэффициент температуропроводности, так и объемную теплоемкость. Исходя из этого, можно рассчитать теплопроводность, что означает, что двойной зонд может определять все основные термические свойства почвы. Отмечены возможные недостатки техники теплового импульса. Это включает в себя небольшой измерительный объем почвы, а также измерения, чувствительные к контакту зонда с почвой и расстоянию между датчиком и нагревателем.

Дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование с помощью спутников летательные аппараты значительно расширили возможности выявления вариаций тепловых свойств почвы и их использования во многих аспектах деятельности человека. Хотя дистанционное зондирование отраженного света от поверхностей действительно указывает на тепловую реакцию самых верхних слоев почвы (толщиной в несколько молекулярных слоев), это тепловая реакция. инфракрасный длина волны, которая обеспечивает колебания энергии, распространяющиеся на различные небольшие глубины под поверхностью земли, что представляет наибольший интерес. Тепловой датчик может обнаруживать изменения в передаче тепла в приповерхностные слои и из них из-за внешнего нагрева за счет тепловых процессов теплопроводности, конвекции и излучения. СВЧ дистанционное зондирование со спутников также оказалось полезным, поскольку оно имеет преимущество перед МДП в том, что на него не влияет облачный покров.

Различные методы измерения тепловых свойств почвы использовались, чтобы помочь в различных областях, таких как; расширение и сжатие строительных материалов, особенно в промерзающих почвах, долговечность и эффективность прокладываемых в земле газопроводов или электрических кабелей, схемы энергосбережения, в сельском хозяйстве для определения времени посадки для обеспечения оптимального прорастания всходов и роста урожая, измерение парниковый газ выбросы, поскольку тепло влияет на высвобождение углекислого газа из почвы. Тепловые свойства почвы также становятся важными в таких областях науки об окружающей среде, как определение движения воды в радиоактивные отходы и в поисках похороненных фугасы.

Использует

Тепловая инерция почвы позволяет использовать землю для подземного хранения тепловой энергии.[1] Солнечную энергию можно перерабатывать с лета на зиму, используя землю в качестве долгосрочного хранилища тепловой энергии, прежде чем она будет извлечена грунтовые тепловые насосы зимой.

Изменения количества растворенного органического углерода и почвенного органического углерода в почве могут влиять на ее способность дышать, увеличивая или уменьшая поглощение углерода почвой.[2]

Кроме того, критерии проектирования MCS для неглубокой петли грунтовые тепловые насосы требуется точное считывание теплопроводности на месте.[3] Это можно сделать с помощью вышеупомянутого теплового зонда для точного определения теплопроводности почвы на участке.

Рекомендации

  1. ^ «Межсезонный теплообмен». Icax.co.uk. Получено 2014-06-03.
  2. ^ Эллисон, Стивен Д .; Валленштейн, Мэтью Д .; Брэдфорд, Марк А. (2010). «Почва-углеродная реакция на потепление зависит от микробной физиологии». Природа Геонауки. 3 (5): 336–340. Bibcode:2010НатГе ... 3..336А. Дои:10.1038 / ngeo846.
  3. ^ «Испытание тепловых свойств грунта». tempsand.com.au. Получено 2016-02-23.
  • Бристоу К.Л., Клютенберг Г.Дж., Годинг С.Дж., Фицджеральд Т.С. (2001). «Небольшой многоигольный зонд для измерения тепловых свойств почвы, содержания воды и электропроводности». Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве. 31 (3): 265–280. Дои:10.1016 / S0168-1699 (00) 00186-1.