Суточный ход температуры поверхности почвы. Температура почвы Максимальная температура поверхности почвы наблюдается около часов

Температура на поверхности почвы имеет суточный ход. Минимум ее наблюдается примерно через полчаса после восхода солнца. К этому времени радиационный баланс поверхности почвы становится равным нулю – отдача тепла из верхнего слоя почвы эффективным излучением уравновешивается возросшим притоком суммарной радиации. Нерадиационный обмен тепла в это время незначителен.

Затем температура на поверхности почвы растет до 13–14 ч и достигает максимума в суточном ходе. После этого начинается падение температуры. Радиационный баланс в послеполуденные часы и до вечера остается положительным. Однако отдача тепла в дневные часы из верхнего слоя почвы в атмосферу происходит не только путем эффективного излучения, но и путем возросшей теплопроводности, а также увеличившегося испарения воды. Продолжается и передача тепла в глубь почвы. Эти потери тепла оказываются значительно большими, чем радиационный приток, поэтому температура на поверхности почвы падает с 13–14 ч до утреннего минимума.

Разность между суточным максимумом и суточным минимумом температуры называется суточной амплитудой температуры.

В Московской области, по данным С.П. Хромова и М.А. Петросянца (2004), в зимние месяцы многолетняя средняя суточная амплитуда температуры на поверхности почвы (снега) 5–10°С, в летние – 10–20°С. В отдельные дни суточные амплитуды могут быть и выше и ниже многолетних средних значений в зависимости от ряда факторов, прежде всего от облачности. В безоблачную погоду велика солнечная радиация днем и также велико эффективное излучение ночью. Поэтому суточный (дневной) максимум особенно высок, а суточный (ночной) минимум низок и, следовательно, велика суточная амплитуда. В облачную погоду дневной максимум понижен, ночной минимум повышен и меньше суточная амплитуда.

Температура поверхности почвы, конечно, меняется и в годовом ходе. В тропических широтах ее годовая амплитуда (разность многолетних средних температур самого теплого и самого холодного месяцев года) небольшая и растет с широтой. В Северном полушарии на широте 10° она около 3°С, на широте 30° около 10°С, на широте 50 о в среднем около 25°С.

Во внетропических широтах непериодические изменения температуры воздуха настолько часты и значительны, что суточный ход температуры отчетливо проявляется лишь в периоды относительно устойчивой малооблачной антициклонической погоды. В остальное время он затушевывается непериодическими изменениями, которые могут быть очень интенсивными. Например, похоло-дания зимой, когда температура в любое время суток может упасть (в континентальных условиях) на 10–20°С в течение одного часа.

В тропических широтах непериодические изменения температуры менее значительны и не так сильно нарушают суточный ход температуры.

Непериодические изменения температуры связаны главным образом с адвекцией воздушных масс из других районов Земли. Особенно значительные похолодания (иногда называемые волнами холода) происходят в умеренных широтах в связи с вторжениями холодных воздушных масс из Арктики и Антарктиды. В Европе сильные зимние похолодания бывают также при проникновении холодных воздушных масс с востока, а в Западной Европе – с европейской территории России. Холодные воздушные массы иногда проникают в Средиземноморский бассейн и даже достигают Северной Африки и Передней Азии. Но чаще они задерживаются перед горными хребтами Европы, расположенными в широтном направлении, особенно перед Альпами и Кавказом. Поэтому климатические условия Средиземноморского бассейна и Закавказья значительно отличаются от условий близких, но более северных районов.

В Азии холодный воздух свободно проникает до горных хребтов, ограничивающих с юга и востока территорию среднеазиатских республик, поэтому зимы на Туранской низменности достаточно холодны. Но такие горные массивы, как Памир, Тянь-Шань, Алтай, Тибетское нагорье, не говоря уже о Гималаях, являются препятствиями для дальнейшего проникновения холодных воздушных масс к югу. В редких случаях значительные адвективные похолодания наблюдаются, однако, и в Индии: в Пенджабе в среднем на 8–9°С, а в марте 1911 г. температура упала на 20°С. Холодные массы при этом обтекают горные массивы с запада. Легче и чаще холодный воздух проникает на юго-восток Азии, не встречая по пути значительных преград (С.П. Хромов и М.А. Петросянц).

В Северной Америке нет горных хребтов, проходящих в широтном направлении. Поэтому холодные массы арктического воздуха могут беспрепятственно распространяться до Флориды и Мексиканского залива.

Над океанами вторжения холодных воздушных масс могут глубоко проникать в тропики. Конечно, холодный воздух постепенно прогревается над теплой водой, но все же он может вызывать заметные понижения температуры.

Вторжения морского воздуха из средних широт Атлантического океана в Европу создают потепления зимой и похолодания летом. Чем дальше в глубь Евразии, тем меньше становится повторяемость атлантических воздушных масс и тем больше меняются над материком их перво-начальные свойства. Но все же влияние вторжений с Атлантики на климат можно проследить вплоть до Среднесибирского плоскогорья и Средней Азии.

Тропический воздух вторгается в Европу и зимой, и летом из Северной Африки и из низких широт Атлантики. Летом воздушные массы, близкие по температуре к воздушным массам тропиков и поэтому также называемые тропическим воздухом, формируются на юге Европы или приходят в Европу из Казахстана и Средней Азии. На Азиатской территории России летом наблюдаются вторжения тропического воздуха из Монголии, Северного Китая, из южных районов Казахстана и из пустынь Средней Азии.

В отдельных случаях сильные повышения температуры (до +30°С) при летних вторжениях тропического воздуха распространяются до Крайнего Севера России.

В Северную Америку тропический воздух вторгается как с Тихого, так и с Атлантического океана, особенно с Мексиканского залива. На самом материке массы тропического воздуха формируются над Мексикой и югом США.

Даже в области Северного полюса температура воздуха зимой иногда повышается до нуля в результате адвекции из умеренных широт, причем потепление можно проследить во всей тропосфере.

Оглавление
Климатология и метеорология
ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Метеорология и климатология
Атмосфера, погода, климат
Метеорологические наблюдения
Применение карт
Метеорологическая служба и Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО)
Климатообразующие процессы
Астрономические факторы
Геофизические факторы
Метеорологические факторы
О солнечной радиации
Тепловое и лучистое равновесие Земли
Прямая солнечная радиация
Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности
Явления, связанные с рассеянием радиации
Суммарная радиация, отражение солнечной радиации, поглощенная радиация, ФАР, альбедо Земли
Излучение земной поверхности
Встречное излучение или противоизлучение
Радиационный баланс земной поверхности
Географическое распределение радиационного баланса
Атмосферное давление и барическое поле
Барические системы
Колебания давления
Ускорение воздуха под действием барического градиента
Отклоняющая сила вращения Земли
Геострофический и градиентный ветер
Барический закон ветра
Фронты в атмосфере
Тепловой режим атмосферы
Тепловой баланс земной поверхности
Суточный и годовой ход температуры на поверхности почвы
Температуры воздушных масс
Годовая амплитуда температуры воздуха
Континентальность климата
Облачность и осадки
Испарение и насыщение
Влажность
Географическое распределение влажности воздуха
Конденсация в атмосфере
Облака
Международная классификация облаков
Облачность, ее суточный и годовой ход
Осадки, выпадающие из облаков (классификация осадков)
Характеристика режима осадков
Годовой ход осадков
Климатическое значение снежного покрова
Химия атмосферы
Химический состав атмосферы Земли
Химический состав облаков
Химический состав осадков
Кислотность осадков

Лекция 4

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ

Лучистая энергия в деятельном слое преобразуется в тепло­вую. При положительном радиационном балансе (днем, летом) часть этого тепла затрачивается на нагревание деятельного слоя, часть - на нагревание приземного воздуха, растений, а часть - на испарение воды с почвы и растений. Когда радиационный баланс отрицательный (ночью, зимой), затраты тепла, связан­ные с эффективным излучением деятельной поверхности, ком­пенсируются приходом тепла из деятельного слоя, от воздуха, часть тепла выделяется при конденсации (сублимации) водяного пара на деятельной поверхности. Этот приход и расход энергии на деятельной поверхности выражаются уравнением теплового баланса:

В=А+Р+LЕ

где В - радиационный баланс деятельной поверхности; А - поток тепла между деятельной поверхностью и нижележащими слоями; Р - поток тепла между по­верхностью и приземным слоем воздуха; LЕ - поток тепла, связанный с фазовы­ми преобразованиями воды (испарение - конденсация).

Другие составляющие теплового баланса земной поверхности (потоки тепла от энергии ветра, приливов, от выпадающих осад­ков, расход энергии на фотосинтез и др.) значительно меньше указанных ранее членов баланса, поэтому их можно не прини­мать во внимание.

Смысл уравнения заключается в уравновешивании радиаци­онного баланса земной поверхности нерадиационной передачей тепла.

Суточный и годовой ход температуры поверхности почвы

Из того, что тепловой баланс земной поверхности равен нулю, не следует, что температура поверхности не меняется. Когда передача тепла направлена вниз (+А), то значительная часть тепла, приходящая к поверхности сверху, остается в дея­тельном слое. Температура этого слоя, а следовательно, и дея­тельной поверхности при этом возрастают. Напротив, при пере­даче тепла через земную поверхность снизу вверх (-А) тепло в атмосферу уходит прежде всего из деятельного слоя, вследствие чего температура поверхности понижается.

Дневное нагревание и ночное охлаждение поверхности по­чвы вызывают суточные колебания ее температуры. Суточный ход температуры имеет обычно по одному максимуму и миниму­му. Минимум температуры поверхности почвы при ясной пого­де наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и поч­вой незначителен. С восходом Солнца, по мере увеличения ра­диационного баланса, температура поверхности почвы возраста­ет. Максимум температуры наблюдается около 13 ч, затем тем­пература начинает понижаться.

В отдельные дни указанный суточный ход температуры по­чвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факторов. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время.

Разность между максимумом и минимумом в суточном или годовом ходе называется амплитудой хода температуры .

На амплитуду суточного хода температуры поверхности по­чвы влияют следующие факторы:

время года : летом амплитуда наибольшая, зимой - наимень­шая;

географическая широта : амплитуда связана с полуденной вы­сотой Солнца, которая возрастает в направлении от полюса к экватору, поэтому в полярных районах амплитуда незначитель­на, а в тропических пустынях, где к тому же велико эффектив­ное излучение, она достигает 50...60 0С;

рельеф местности : по сравнению с равниной южные склоны нагреваются сильнее, северные - слабее, а западные - несколько сильнее восточных, соответственно изменяется и амплитуда;

растительный и снежный покров : амплитуда суточного хода под этими покровами меньше, чем при их отсутствии, так как они уменьшают нагрев и охлаждение поверхности почвы;

цвет почвы : амплитуда суточного хода температуры поверх­ности темных почв больше, чем светлых, поскольку поглощение и излучение радиации у первых больше, чем у вторых;

состояние поверхности : рыхлые почвы имеют большую амп­литуду, чем плотные; в плотных почвах поглощенное тепло рас­пространяется вглубь, а в рыхлых остается в верхнем слое, по­этому последние больше нагреваются;

влажность почвы : на поверхности влажных почв амплитуда меньше, чем на поверхности сухих; во влажных почвах погло­щенное тепло, как и в плотных почвах, распространяется вглубь, а часть тепла затрачивается на испарение, вследствие этого они меньше нагреваются, чем сухие;

облачность : в пасмурную погоду амплитуда значительно меньше, чем в ясную, так как облачность уменьшает дневной прогрев и ночное охлаждение деятельной поверхности.

Годовой ход температуры поверхности почвы определяется различным приходом солнечной радиации в течение года.

Наименьшие температуры на поверхности почвы обычно на­блюдаются в январе - феврале, наибольшие - в июле или авгус­те.

На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за ис­ключением широты места. Амплитуда годового хода в отличие от суточного возрастает с увеличением широты.

Теплофизические характеристики почвы

Между поверхностью почвы и ее нижележащими слоями про­исходит непрерывный обмен теплом. Передача тепла в почву осуществляется главным образом за счет молекулярной тепло­проводности.

Нагревание и охлаждение почвы в основном зависят от ее теплофизических характеристик: теплоемкости и теплопровод­ности.

Теплоемкость - количество тепла, необходимое для повышения температуры почвы на 1 °С. Различают удельную и объемную теплоемкость.

Удельной теплоемкостью (С уд ) называют количество тепла, не­обходимое для нагревания 1 кг почвы на 1 °С.

Объемной теплоемкостью (С об ) называют количество тепла, не­обходимое для нагревания 1 м3 почвы на 1° С.

Способность почвы передавать тепло от слоя к слою называ­ют теплопроводностью .

Мерой теплопроводности почвы служит коэффициент тепло­проводности , который численно равен количеству теп­ла, Дж, проходящего за 1 с через основание столба почвы сече­нием 1 м² и высотой 1 м.

Коэффициент теплопроводности почвы зависит главным образом от соотношения содержания в ней воздуха и воды .

Теплофизические характеристики почвы также зависят от её плотности . С уменьшением плотности теплоемкость и тепло­проводность сухих почв снижаются. Поэтому разрыхленные по­чвы в пахотном слое днем теплее, чем плотные, а ночью холод­нее. Кроме того, разрыхленная почва имеет большую удельную поверхность, чем плотная, и поэтому днем поглощает больше радиации, а ночью интенсивнее излучает тепло.

Измерение температуры и глубины промерзания почвы

Для измерения температуры почвы применяют жидкостные (ртутные, спиртовые, толуоловые), термоэлектрические, элект­ротермометры сопротивления и деформационные термометры.

Срочный термометр ТМ-3, ртутный, используют для измере­ния температуры поверхности почвы в данный момент (срок).

Максимальный термометр ТМ-1, ртутный, служит для изме­рения наивысшей температуры поверхности за период между сроками наблюдений.

Максимальный термометр отличается от срочного тем, что в канал капилляра непосредственно около резервуара входит тон­кий штифтик, впаянный в дно резервуара. В ре­зультате этого в месте сужения происходит разрыв ртути, и та­ким образом фиксируется максимальное значение температуры за данный промежуток времени.

Минимальный термометр ТМ-2, спиртовой, применяют для измерения самой низкой температуры поверхности почвы за пе­риод между сроками наблюдений. Особенность устройства этого термометра заключается в том, что внутрь капилляра закладыва­ется маленький из темного стекла штифтик. При понижении температуры поверхностная пленка менис­ка движется в сторону резервуара и перемещает за собой штиф­тик. При повышении температуры спирт, расширяясь, свободно обтекает штифтик. Последний остается на месте, указывая уда­ленным от резервуара концом минимальную температуру между сроками наблюдений.

Коленчатые термометры (Савинова) ТМ-5, ртутные, предназ­начены для измерения температуры почвы в теплый период на глубинах 5, 10, 15 и 20 см.

Термометр-щуп АМ-6, толуоловый, используют для походных измерений температуры почвы на глубинах 3...40 см.

Транзисторный электротермометр ТЭТ-2 применяют для из­мерения температуры пахотного слоя в теплый период. Им можно измерять и температуру в буртах корнепло­дов, картофеля, в зерновой массе в засеках.

Трость агронома ПИТТ-1 предназначена для измерения тем­пературы пахотного слоя и замера глубины вспашки. Принцип его действия основан на измерении омического со­противления в зависимости от температуры.

Вытяжные термометры ТПВ-50, ртутные, предназначены для измерений температуры почвы на глубинах 20...320 см в течение года. Их можно также использовать в хозяйствах для измерения температуры в буртах, силосных ямах и т. п.

В последнее время получили развитие методы бесконтактно­го определения температуры поверхности почвы со спутников, самолетов и вертолетов, позволяющие получать осредненные значения температуры для значительных участков земной по­верхности.

Мерзлотомер АМ-21 применяют для измерения глубины промерзания почвы. Этот прибор состоит из эбонито­вой трубки, на верхней части которой нанесены деления в сан­тиметрах для определения высоты снежного покрова. В эту трубку помещают резиновую трубку с делениями через 1 см, за­полненную дистиллированной водой.

Температуру по Международной практической шкале изме­ряют в градусах Цельсия (°С). Градус по этой шкале составляет 1/100 интервала между точками таяния льда (0 °С) и кипения воды (100 °С).

Значение температуры почвы для растений

Одним из важнейших факторов жизни растения является температура почвы. Прорастание семян, развитие корневой системы, жизнедеятельность почвенной микрофлоры, усвое­ние корнями продуктов минерального питания и др. в боль­шой степени зависят от температуры почвы. С повышением температуры почвы все эти процессы активизируются. Значи­тельное понижение температуры почвы приводит к гибели по­севов озимых зерновых культур, многолетних трав и плодовых деревьев.

Семена большинства сельскохозяйственных культур в сред­ней полосе прорастают при температуре 3...5 °С, а такие, как рис, хлопчатник и др., требуют значительно более высоких тем­ператур - 13...15 °С.

С повышением температуры почвы до оптимальной скорость прорастания семян возрастает, что обусловливает сокращение продолжительности периода от посева до появления всходов.

Температурный режим почвы непосредственно влияет на скорость роста корневой системы. При пониженных и повышенных температурах показатели роста ухудшаются.

После появления всходов температура почвы не теряет свое­го значения для растений. Они лучше растут и развиваются, если их корни находятся в среде с несколько пониженной (на 5...10 °С) температурой по сравнению с надземными органами.

Температура почвы оказывает большое влияние на жизнедея­тельность микроорганизмов и, следовательно, на обеспечен­ность растений элементами минерального питания, скорость разложения органического вещества, синтез гуминовых веществ и т. д.

Температурный режим определяет накопление подвижных питательных веществ в почве. Воздействуя на скорость движе­ния воды и растворимых солей, температура влияет на темпы поступления питательных веществ в растения из почвы и вне­сенных удобрений. При невысоких температурах (8...10 °С) сни­жается, например, поступление в корни и передвижение из кор­ней в надземные органы азота, ослабляется его расход на обра­зование органических азотных соединений. При более низких температурах (5...6 °С и ниже) поглощение корнями азота и фос­фора резко уменьшается. Снижается при этом и поглощение ка­лия.

Тесно связаны с температурным режимом почвы также рас­пространение и вредоносность болезней и вредителей сельско­хозяйственных растений. У ряда теплолюбивых культур (кукуру­за, хлопчатник) болезни проростков и повреждение семян пле­сенью проявляются при низких температурах (в холодные вёс­ны), когда термические условия неблагоприятны для растений.

Вредители растений, личинки которых находятся в почве, в зависимости от температуры могут принести больший или мень­ший вред.

Поверхность, непосредственно нагреваемую солнечными лучами и отдающую тепло нижележащим слоям и воздуху, называют деятельной поверхностью . Температура деятельной поверхности, ее величина и изменение (суточный и годовой ход) определяются тепловым балансом.
Максимальное значение почти всех составляющих теплового баланса наблюдается в околополуденные часы. Исключением является максимум теплообмена в почве, приходящийся на утренние часы. Максимальные амплитуды суточного хода составляющих теплового баланса отмечаются в летнее время, минимальные - зимой.
В суточном ходе температуры сухой и лишенной растительности поверхности в ясный день максимум наступает после 13 часов, а минимум - около момента восхода Солнца. Облачность нарушает правильный ход температуры поверхности и вызывает смещение моментов максимума и минимума. Большое влияние на температуру поверхности оказывают ее влажность и растительный покров.
Дневные максимумы температуры поверхности могут составлять +80° и более (на юге России +75°). Суточные колебания достигают 40°. Их величина зависит от времени года, облачности, тепловых свойств поверхности, ее цвета, шероховатости, от растительного покрова, а также от экспозиции склонов.
Годовой ход температуры деятельного слоя различен на разных широтах. Максимум температуры поверхности в средних и высоких широтах обычно наблюдается в июле, минимум - в январе. Амплитуды годовых колебаний температуры деятельной поверхности в низких широтах очень малы, в средних широтах на суше они достигают 30°. На годовые колебания температуры поверхности в умеренных и высоких широтах сильно влияет снежный покров.
Распространение тепла в почвогрунте зависит от ряда его свойств, и прежде всего от теплоемкости и теплопроводности. Получая одинаковое количество солнечного тепла, почвогрунт нагревается тем медленнее, чем больше его объемная темплоемкость. Объемная теплоемкость пород, слагающих сушу, примерно в два раза меньше теплоемкости воды. Теплоемкость воды - 1, кварца - 0,517, глины - 0,676, воздуха - 0,0003.
Передача тепла от слоя к слою регулируется теплопроводностью. Большинство пород имеет малую теплопроводность в (кал)см*сек град.):

Теплопроводность воды - 0,00129 кал/см*сек*град., воздуха - 0,000056.
На передачу тепла от слоя к слою затрачивается время, и сроки наступления максимальных и минимальных в течение суток температур запаздывают на каждые 10 см примерно на 3 часа. Если на поверхности наивысшая температура была около 13 часов, на глубине 10 см максимум температуры наступит около 16, а на глубине 20 см - около 19 часов и т. д.
При последовательном нагревании нижележащих слоев от вышележащих каждый слой поглощает некоторое количество тепла. Чем глубже слой, тем меньше тепла он получает и тем слабее в нем колебания температуры. Амплитуды суточных колебаний температуры с глубиной уменьшаются на каждые 15 см в два раза. Это значит, что если на поверхности амплитуда равна 16°, то на глубине 15 см она составляет 8°, а на глубине 30 см - 4°. При этом периоды колебания температуры остаются неизменными на всех глубинах. В среднем на глубине около 1 м суточные колебания температуры почвы затухают. Слой, в котором эти колебания практически прекращаются, называется слоем постоянной суточной температуры.
Чем больше период колебания температуры, тем глубже распространяются эти колебания. В средних широтах слой постоянной годовой температуры находится на глубине 19-20 м, в высоких широтах - на глубине 25 м. В тропических широтах годовые амплитуды температуры невелики и слой постоянной годовой амплитуды расположен на глубине всего 5-10 м.
Моменты наступления максимальных и минимальных в течение года температур запаздывают в среднем на 20-30 суток на каждый метр. Таким образом, если наименьшая температура на поверхности наблюдалась в январе, на глубине 2 м она наступает в начале марта.
Наблюдения показывают, что температура в слое постоянной годовой температуры близка к средней годовой температуре воздуха над поверхностью. Слой почвогрунта, расположенный над слоем постоянной годовой температуры и испытывающий ее годовые колебания, называется деятельным слоем.
Вода, обладая большей теплоемкостью и меньшей теплопроводностью, чем суша, медленнее нагревается и медленнее отдает тепло. Солнечные лучи, падающие на водную поверхность, частью поглощаются самым верхним слоем воды, а частью проникают на значительную глубину, нагревая непосредственно некоторый ее слой. Подвижность воды делает возможным. перенос тепла. Вследствие турбулентного перемешивания воды передача тепла вглубь происходит в 1000-10 000 раз быстрее, чем путем теплопроводности. При остывании поверхностных слоев возникает тепловая конвекция, сопровождающаяся перемешиванием воды.
Суточные колебания температуры на поверхности Океана в высоких широтах всего 0,1°, в умеренных - 0,4°, в тропических - 0,5°. Глубина проникновения этих колебаний - 15-20 м. Годовые амплитуды температуры на поверхности Океана - от 2° в тропических широтах до 0,8° - в умеренных. Годовые колебания температуры проникают на глубину 200-300 м.
Моменты максимумов температуры водоемов запаздывают по сравнению с сушей. Максимум наступает около 15-16 часов, минимум - через 2-3 часа после восхода Солнца. Годовой максимум температуры на поверхности Океана в северном полушарии приходится на август, минимум - на февраль.

Суточный и годовой ход температуры почвы

Наблюдения за температурой поверхности почвы и темпера­турой на различной глубине проводятся на некоторых метеороло­гических станциях уже более 70-80 лет. Обработка этих данных позволила установить закономерности изменения температуры почвы в течение суток и года.

Изменение температуры почвы в течение суток называется су­точным ходом. Суточный ход температуры имеет обычно один максимум и один минимум. Минимум температуры поверхности почвы при ясной погоде наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и почвой незначителен. С восходом Солнца, по мере изменения знака и величины радиационного баланса, тем­пература поверхности почвы возрастает, особенно при ясной по­годе. Максимум температуры наблюдается около 13 ч, затем температура начинает понижаться, что продолжается до утрен­него минимума.

В отдельные дни указанный суточный ход температуры почвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факто­ров. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время. Хорошо выраженный и правильный суточный ход наблю­дается в теплый период при ясной погоде.

Изменение температуры почвы в течение года называется го­довым ходом. Обычно график годового хода строится по средним месячным температурам почвы. Годовой ход температуры поверх­ности почвы определяется в основном различным приходом сол­нечной радиации в течение года. Максимальные средние месяч­ные температуры поверхности почвы в умервнных широтах север­ного полушарля наблюдаются обычно в июле, когда приток тепла к почве наибольший, а минимальные - в январе - феврале.

Разность между максимумом и минимумом в суточном или годовом ходе называется амплитудой хода температуры.

Факторы, влияющие на амплитуду суточного и годового хода температуры почвы

На амплитуду суточного хода температуры почвы влияют:

1) время года; летом амплитуда наибольшая, зимой - наи­меньшая;

2) географическая широта; амплитуда связана с полуденной высотой Солнца, которая в один и тот же день возрастает в направлении от полюса к экватору; поэтому в полярных районах амплитуда незначительна, а в тропических пустынях, где к тому же велико эффективное излучение, она достигает 50-60° С;

3) рельеф местности; по сравнению с равниной южные скло­ны нагреваются сильнее, северные слабее, а западные несколько сильнее восточных; соответственно изменяется и амплитуда;

4) растительный и снежный покровы; амплитуда суточного хода под этими покровами меньше, чем при их отсутствии;

5) теплоемкость и теплопроводность почвы; амплитуда нахо­дится в обратной зависимости от теплоемкости и теплопровод­ности;

6) цвет почвы; амплитуда суточного хода температуры по­верхности темных почв больше, чем светлых, так как поглощение радиации и ее излучение у темных поверхностей больше, чем у светлых; поверхности сухих и рыхлых почв имеют большую ам­плитуду, чем поверхности влажных и плотных почв;

7) облачность: в пасмурную погоду амплитуда значительно меньше, чем в ясную.

На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за исключением времени года. Амплитуда годового хода, в отличие от суточного, возрастает с увеличением широты. В экваториаль­ной зоне она в среднем составляет 2-3° С, а в полярных райо­нах материков превышает 70° С (Якутия).

Амплитуда годового хода температуры оголенной поверхности почвы значительно больше, чети поверхности, покрытой раститель­ностью или снегом.

Закономерности распространения тепла в почве

Суточные и годовые колебания температуры поверхности поч­вы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температуры, называют активным слоем. Распространение температурных колебаний в глубь почвы (при однородном соста­ве почвы) происходит в соответствии со следующими законами Фурье.

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

2. Если глубина растет в арифметической прогрессии, то ам­плитуда уменьшается в геометрической прогрессии, т. е. с уве- " личением глубины амплитуда быстро уменьшается.

Слой почвы, температура в котором в течение суток не изме­няется, называют слоем постоянной суточной температуры.

Температурный режим почвы __67

В средних широтах этот слой начинается с глубины 70-100 см. Слой постоянной годовой температуры в средних широтах зале­гает глубже 15-20 м.

3. Максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы (табл. 15). 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.

Таблица 15

Среднее время наступления максимумов и минимумов в суточном ходе температуры почвы (июнь)

Глубина, см	Минимум, ч мин	Максимум, ч мин	Амплитуда " температурных колебаний, °С
Нукус (близ Аральского моря, пустыня)
Ленинград

Приведенные законы Фурье иллюстрируются графиками су­точного (рис. 12) и годового (рис. 13) хода температуры поверх­ности почву и температуры на различных глубинах. На этих ри­сунках четко прослеживается уменьшение амплитуды с глуби­ной, запаздывание времени наступления максимумов и миниму­мов с увеличением глубины и независимость периода колебаний от глубины.

Согласно теоретическим расчетам Фурье, глубина, до которой проявляется годовой ход температуры почвы, должна примерно в 19 раз превышать 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. 68

В северных широтах глубина проникновения годового хода температуры почвы составляет в среднем 25 м, в средних широ­тах- 15-20 м, в южных - около 10 м.

Температурный режим почвы

Рис. 12. Суточный ход темпе­ратуры почв в июне в Тбилиси.

Цифры у кривых - глубина в мет­рах.

// /// IV - V VI УГ VIII К-" X XI XII

Рис. 13. Годовой ход средней месячной температуры почвы с естественной по­верхностью в Тбилиси. Цифры у кривых - глубина в метрах.

Термоизоплеты

Материалы многолетних наблюдений за температурой почвы на различных глубинах могут быть представлены графически (рис. 14). На таком графике связываются температура почвы, глубина и время. Для построения графика на вертикальной оси откладывают глубины, а на горизонтальной - время (обычно ме­сяцы). На график наносят среднюю месячную температуру почвы на разных глубинах. Затем точки с одинаковой температурой со­единяют плавными линиями, которые называют термоизоплеты. Термоизоплеты дают наглядное представление о температуре активного слоя почвы на любой глубине в каждый месяц. Такие графики используют, например, для определения глубины про-

никновения критических температур, повреждающих корневую систему плодовых деревьев.

"/ III V "УН IX XI -1

Рис. 14. Изоплеты температуры почвы (Тбилиси).

Эти графики используют также в коммунальном хозяйстве, в промышленном и дорожном строительстве, при мелиорации.

Мощность мерзлого слоя обязательно учитывается при закла­дывании дрен в мелиорируемых районах.

Изменение температуры поверхности почвы в течение суток называется суточным ходом. Суточный ход поверхности почвы в среднем за много дней представляет собой периодические колебания с одним максимумом и одним минимумом.

Минимум наблюдается перед восходом солнца, когда радиационный баланс отрицателен, а нерадиационный обмен теплом между поверхностью и прилегающими к ней слоями почвы и воздуха незначителен.

С восходом солнца температура поверхности почвы растет и достигает максимума около 13 часов. Затем начинается ее понижение, хотя радиационный баланс еще остается положительным. Объясняется это тем, что после 13 часов возрастает отдача тепла поверхностью почвы в воздух путем турбулентности и за счет испарения.

Разность между максимальной и минимальной температурой почвы за сутки называется амплитудой суточного хода. На нее влияет ряд факторов:

1.Время года. Летом амплитуда наибольшая, а зимой наименьшая;

2.Широта места. Поскольку амплитуда связана с высотой солнца, то она уменьшается с увеличением широты места;

3. Облачность. В пасмурную погоду амплитуда меньше;

4. Теплоемкость и теплопроводность почвы. Амплитуда находится в обратной зависимости от теплоемкости почвы. Например, гранитная скала обладает хорошей теплопроводностью и в ней нагревание хорошо передается вглубь. В результате амплитуда суточных колебаний поверхности гранита невелика. Песчаная почва обладает меньшей теплопроводностью, чем гранит, поэтому амплитуда хода температуры песчаной поверхности примерно в 1,5 раза больше, чем гранитной;

5. Цвет почвы. Амплитуда темных почв значительно больше, чем светлых, так как способность поглощения и излучения у темных почв больше;

6. Растительный и снежный покров. Растительный покров уменьшает амплитуду, так как он препятствует нагреванию почвы солнечными лучами. Не очень большая амплитуда и при снежном покрове, так как из-за большого альбедо поверхность снега нагревается мало;

7. Экспозиция склонов. Южные склоны холмов нагреваются сильнее, чем северные, а западных больше, чем восточных, отсюда и амплитуда южных и западных поверхностей холмов значительнее.

Годовой ход температуры поверхности почвы

Годовой ход, как и суточный, связан с приходом и расходом тепла и определяется главным образом радиационными факторами. Удобнее всего проследить за данным ходом по среднемесячным значениям температуры почвы.

В северном полушарии максимальные среднемесячные температуры поверхности почвы наблюдаются в июле-августе, а минимальные – в январе-феврале.

Разность между наибольшей и наименьшей среднемесячными температурами за год называется амплитудой годового хода температуры почвы. Она в наибольшей степени зависит от широты места: в полярных широтах амплитуда наибольшая.

Суточные и годовые колебания температуры поверхности почвы постепенно распространяются в более глубокие ее слои. Слой почвы или воды, температура которого испытывает суточные и годовые колебания, называется активным.

Распространение температурных колебаний в глубь почвы описывается тремя законами Фурье:

Первый из них гласит, что период колебаний с глубиной не изменяется;

Второй говорит о том, что амплитуда колебаний температуры почвы с глубиной уменьшается в геометрической прогрессии;

Третий закон Фурье устанавливает, что максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы, причем запаздывание прямо пропорционально глубине.

Слой почвы, в котором температура остается неизменной в течение суток называется слоем постоянной суточной температуры (ниже 70 - 100 см). Слой почвы, в котором температура почвы остается неизменной в течение года, называется слоем постоянной годовой температуры . Этот слой начинается с глубины 15-30 м.

В высоких и умеренных широтах встречаются обширные области, где слои почвы остаются мерзлыми в течение многих лет, не оттаивая летом. Эти слои называются вечной мерзлотой.

Вечная мерзлота может залегать как непрерывным слоем, так и в виде отдельных слоев, перемежаясь талой почвой. Мощность слоя вечной мерзлоты колеблется от 1-2 м до нескольких сотен м. Например, в Якутии мощность вечной мерзлоты составляет 145 м, в Забайкалье – около 70 м.

Нагревание и охлаждение водоемов

Поверхностный слой воды, как и почвы, хорошо поглощает инфракрасную радиацию: условия ее поглощения и отражения водой и почвой отличаются мало. Другое дело – коротковолновая радиация.

Вода, в отличие от почвы, представляет для нее прозрачное тело. Поэтому радиационное нагревание воды происходит в ее толще.

Существенные различия теплового режима воды и почвы вызываются следующими причинами:

Теплоемкость воды в 3-4 раза больше теплопроводности почвы. При одинаковом приходе или расходе тепла температура воды изменяется меньше;

Частицы воды обладают большей подвижностью, поэтому в водоемах передача тепла внутрь происходит не путем молекулярной теплопроводности, а за счет турбулентности. Охлаждение воды ночью и в холодное время года происходит быстрее, чем нагревание ее днем и летом, и амплитуды суточных колебаний температуры воды, также как и годовые, малы.

Глубина проникновения годовых колебаний в водоемы составляет 200 - 400 м.