Tepelné vlastnosti půdy - Soil thermal properties

The tepelné vlastnosti půdy jsou součástí fyzika půdy který našel důležité použití v inženýrství, klimatologie a zemědělství. Tyto vlastnosti ovlivňují, jak je energie rozdělena na půdní profil. I když souvisí s teplotou půdy, je přesněji spojena s přenosem energie (většinou ve formě tepla) v půdě tím, že záření, vedení a proudění.

Hlavní tepelné vlastnosti půdy jsou:

• Objemová tepelná kapacita Jednotky SI: J ∙ m⁻³∙ K.⁻¹
• Tepelná vodivost Jednotky SI: W ∙ m⁻¹∙ K.⁻¹
• Tepelná difuzivita Jednotky SI: m². S⁻¹

Měření

Je těžké říci něco obecného o půdních tepelných vlastnostech na určitém místě, protože jsou v neustálém stavu toku z denních a sezónních výkyvů. Kromě základního složení půdy, které je na jednom místě konstantní, jsou tepelné vlastnosti půdy silně ovlivněny objemovým obsahem vody v půdě, objemovým podílem pevných látek a objemovým podílem vzduchu. Vzduch je špatný tepelný vodič a snižuje účinnost pevné a kapalné fáze pro vedení tepla. Zatímco pevná fáze má nejvyšší vodivost, je to právě variabilita vlhkosti půdy, která do značné míry určuje tepelnou vodivost. Vlastnosti půdní vlhkosti a půdní tepelné vlastnosti jsou tedy velmi úzce propojeny a jsou často měřeny a uváděny společně. Teplotní variace jsou nejextrémnější na povrchu půdy a tyto variace se přenášejí do dílčích povrchových vrstev, ale se zvyšující se hloubkou se sníženou rychlostí. Dále je zde časové zpoždění, kdy je dosaženo maximální a minimální teploty při zvětšování hloubky půdy (někdy označované jako tepelné zpoždění).

Jedním z možných způsobů hodnocení tepelných vlastností půdy je analýza změn teploty půdy v závislosti na hloubce Fourierův zákon,

${displaystyle Q = -lambda dT / dz,}$

kde Q je tepelný tok nebo rychlost přenosu tepla na jednotku plochy J · m⁻². S⁻¹ nebo W · m⁻²,λ je tepelná vodivost W · m⁻¹∙ K.⁻¹;dT/dz je teplotní gradient (změna teploty / změna hloubky) K · m⁻¹.

Nejběžněji používanou metodou pro měření tepelných vlastností půdy je provádění měření in-situ pomocí systémů nestabilních sond nebo tepelných sond.

Jednoduché a dvojité tepelné sondy

Metoda s jednou sondou využívá zdroj tepla vložený do půdy, přičemž se tepelná energie aplikuje kontinuálně danou rychlostí. Tepelné vlastnosti půdy lze určit analýzou teplotní odezvy sousedící se zdrojem tepla pomocí tepelného senzoru. Tato metoda odráží rychlost, kterou je teplo odváděno pryč od sondy. Omezení tohoto zařízení spočívá v tom, že měří pouze tepelnou vodivost. Použitelné standardy jsou: Průvodce IEEE pro měření teplotního odporu půdy (IEEE Standard 442-1981) a také s ASTM D 5334-08 Standardní testovací metoda pro stanovení tepelné vodivosti půdy a měkkých hornin metodou tepelné jehlové sondy.

Malá velikost Nestabilní sonda: Sonda se skládá z jehly (3) s jedním spojem termočlánku (6) a topného drátu (5). Je vložen do vyšetřovaného média.

Příklad kompletního systému pro měření tepelné vodivosti půdy, speciálně navrženého pro měření přibližně 1,5 metru pod povrchem půdy, což je typická hloubka zakopání vysokonapěťových kabelů.

Po dalším výzkumu byla vyvinuta technika tepelných pulzů se dvěma sondami. Skládá se ze dvou paralelních jehlových sond oddělených vzdáleností (r). Jedna sonda obsahuje ohřívač a druhá teplotní čidlo. Zařízení s dvojitou sondou se vloží do půdy a aplikuje se tepelný puls a teplotní senzor zaznamená reakci jako funkci času. To znamená, že tepelný impuls je odeslán ze sondy přes půdu (r) k senzoru. Velkou výhodou tohoto zařízení je, že měří jak tepelnou difuzivitu, tak objemovou tepelnou kapacitu. Z toho lze vypočítat tepelnou vodivost, což znamená, že duální sonda může určit všechny hlavní tepelné vlastnosti půdy. Byly zaznamenány potenciální nevýhody techniky tepelných pulsů. To zahrnuje malý měřící objem půdy a také měření citlivá na kontakt sondy s půdou a vzdálenosti senzoru k ohřívači.

Dálkový průzkum Země

Dálkový průzkum Země ze satelitů letadlo výrazně zlepšilo způsob, jakým lze identifikovat a využít rozdíly v tepelných vlastnostech půdy ve prospěch mnoha aspektů lidského úsilí. Zatímco dálkové snímání odraženého světla z povrchů naznačuje tepelnou odezvu nejvrchnějších vrstev půdy (několik molekulárních vrstev tlustých), je to tepelné infračervený vlnová délka, která poskytuje energetické variace sahající do různých mělkých hloubek pod povrchem země, což je nejzajímavější. Tepelný senzor dokáže detekovat změny přenosu tepla do a z blízkých povrchových vrstev kvůli vnějšímu ohřevu tepelnými procesy vedení, konvekce a záření. Mikrovlnná trouba dálkový průzkum ze satelitů se také osvědčil, protože oproti TIR má výhodu v tom, že není ovlivňován oblačností.

Různé metody měření tepelných vlastností půdy byly použity k pomoci v různých oblastech, jako jsou; expanze a kontrakce stavebních materiálů, zejména v mrazivých půdách, životnost a účinnost plynových potrubí nebo elektrických kabelů uložených v zemi, schémata úspory energie, v zemědělství načasování výsadby k zajištění optimálního vzejití sazenic a růstu plodin, měření skleníkový plyn emise jako teplo ovlivňují uvolňování oxidu uhličitého z půdy. Tepelné vlastnosti půdy se stávají důležitými také v oblastech vědy o životním prostředí, jako je určování pohybu vody v radioaktivní odpad a při hledání pohřbených miny.

Použití

Tepelná setrvačnost půdy umožňuje využití půdy pro podzemní skladování tepelné energie.^[1] Solární energii lze recyklovat od léta do zimy pomocí země jako dlouhodobého zásobníku tepelné energie, než ji znovu získá tepelná čerpadla země v zimě.

Změny množství rozpuštěného organického uhlíku a půdního organického uhlíku v půdě mohou ovlivnit její schopnost dýchat, a to buď zvýšením nebo snížením absorpce uhlíku v půdě.^[2]

Kritéria návrhu MCS pro mělkou smyčku tepelná čerpadla země vyžadují přesné měření tepelné vodivosti in situ.^[3] Toho lze dosáhnout pomocí výše zmíněné tepelné tepelné sondy k přesnému určení tepelné vodivosti půdy v celé lokalitě.

Reference

• Bristow KL, Kluitenberg GJ, Goding CJ, Fitzgerald TS (2001). "Malá vícejehla sonda pro měření tepelných vlastností půdy, obsahu vody a elektrické vodivosti". Počítače a elektronika v zemědělství. 31 (3): 265–280. doi:10.1016 / S0168-1699 (00) 00186-1.