8.2. Теплові властивості ґрунтів

У формуванні температурного режиму ґрунтів важливе значення мають її теплові властивості. До теплових характеристик ґрунту відносять здатність ґрунту поглинати енергію Сонця, теплоємність, теплопровідність, температуропровідність і здатність до теплового випромінювання.

Теплопоглинальна здатність - здатність ґрунтів поглинати та утримувати енергію сонця і характеризується величиною альбедо - кількістю сонячної радіації, відбитою поверхнею ґрунту і вираженою в % від сумарної сонячної радіації.

Величину альбедо визначають: колір (чим темніший ґрунт - тим більше він нагрівається); форма поверхні (чим вона ближче до плоскої, тим нагрівається менше); вміст води у ґрунті (чим вища вологість, тим нижче альбедо); характер рослинного покриву та проектне покриття ними поверхні; гумусованість; гранулометрич-ний склад та інші властивості поверхні ґрунту. Величина альбедо для ґрунтів різних за властивостями знаходиться в межах 10-40% і більше (табл. 8.1).

Таблиця 8.1

Альбедо різних ґрунтів і рослинних покривів, %

(за А. Ф. Чудновським)

Об’єкт	А,%	Об’єкт	А, %
Чорнозем:		Глина:
сухий	14	суха	23
вологий	8	волога	16
Сірозем:		Пісок білий і жовтий	32-40
сухий	25-30	Пісок сірий	18-23
вологий	10-12	Пар (сухий)	8-12
		Пар (вологий)	5-7

Теплоємність ґрунту – властивість ґрунту поглинати тепло (кількість тепла в калоріях, необхідна для нагрівання 1г або 1 см-¹ ґрунту на 1°С) і характеризується відношенням кількості теплоти (ΔQ), що надходить у ґрунт, до зміни його температури (ΔT):

Т : с = ΔQ/ ΔT.

Теплоємність залежить від мінералогічного і гранулометричного складу ґрунту, вмісту в ньому органічної речовини, вологості. Розрізняють:

- питому (масову) теплоємність ґрунту - кількість тепла, що необхідне для нагрівання одиниці маси абсолютно сухого ґрунту на 1°С, (Дж/(г °С));

- об'ємну теплоємність ґрунту - кількість тепла, що необхідне для нагрівання одиниці об'єму абсолютно сухого ґрунту на 1°С, (Дж/(м³ °С).

Питома теплоємність залежить від мінералогічного складу, вмісту органічної речовини і для мінеральних грунтів змінюється в невеликих межах, складаючи в середньому 0,217-0,248 кал/г (А. І. Сабанін). Разом з тим, об’ємна теплоємність грунтів сильно відріз-няється в залежності від вологості та щільності. Показники теплоємності основних складових ґрунту наведені в таблиці 8.2. Оскільки вода має високу теплоємність, то із підвищення вологості ґрунту теплоємність ґрунту зростає. Чим більше вологи може утримувати ґрунт, тим його вологоємність вище, тим більшою є теплоємність і тим більше тепла потрібно на його прогрівання. Тому ґрунти важкого гранулометричного складу, які характеризу-ються високою вологоутримуючою здатністю, вважаються холодни-ми, а легкого – теплими, тобто такими, що швидко і легко прогріваються. Із збільшенням вологості ґрунту найбільше зростає теплоємність торфу, менше - глини і ще менше - піску. Так, в міру росту вологості теплоємність пісків підвищується до 0,7, глинистих грунтів до 0,8, і торфів – до 0,9 кал/см³.

Таблиця 8.2

Теплоємність основних складових речовин ґрунтів, кал/г

(за І. С. Каурічевим)

Речовина	Теплоємність
	питома	Об’ємна
Пісок кварцевий	0,196	0,517
Глина	0,233	0,575
Органічна речовина	0,477	0,601
Вода	1,0	1,0

Теплопровідність ґрунту - це здатність ґрунту проводити (передавати) тепло шляхом теплової взаємодії твердої, рідкої і газоподібної фаз. Кількісно вона визначається у джоулях за одну секунду через поперечний перетин ґрунту площею 1 см² при градієнті температури в 1°С на відстань 1 см. Теплопровідність мінеральних твердих фаз майже в 100 разів перевищує теплопровідність повітря. В ґрунтах тепло передається різними шляхами: при контакті твердих часток, через повітря та воду, які розділяють тверді частинки, шляхом конвекції через газову та рідку фази. Можна виділити наступні форми передачі тепла у ґрунті:

- кондукція (є основною у ґрунтах - характеризується перене-сенням тепла через безпосередній контакт ґрунтових часточок);

- конвекція (відбувається лише в рідкій і газовій фазах ґрунту);

- масообмін - припускає переміщення тепла разом з вологою і парою;

- перенесення прихованої теплоти (тепловиділення при конденсації);

- випромінювання від часточки до часточки.

На величину теплопровідності впливають хімічний та грануло-метричний склад ґрунту, вологість вміст повітря, щільність, будова профілю тощо. Оскільки дуже низьку теплопровідність має повітря та органічна речовина, тому сухі, рихлі ґрунти з високим вмістом повітря пропускають тепло погано і, навпаки, щільні вологі ґрунти характеризуються високою теплопровідністю. Підвищення щільно-сті або вологості грунтів на 30-50% підвищує їх теплопровідність в 5-6 разів (табл. 8.3).

Таблиця 8.3

Теплопровідність різних речовин, Дж/см · ⁰С

Речовина	Теплопровідність	Речовина	Теплопровідність
Повітря	0,00006	Кварц	0,0024
Вода	0,00136	Граніт	0,0082
Торф	0,00027	Базальт	0,0052

Теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідно-сті. Коефіцієнт теплопровідності - кількість тепла, що проходить за одиницю часу через дві протилежні грані одиниці об'єму, перпен-дикулярні напрямку теплового потоку. Коефіцієнт теплопровідності чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить за одиницю часу через одиницю ізотермічної поверхні при температурному градієнті, рівному одиниці. Коефіцієнт теплопровідності вимірюється в Дж/см · ⁰С.

Чим вище теплопровідність, тим краще теплопередача і тим швидше прогрівається або охолоджується ґрунт. Інтенсивність зміни температури ґрунту характеризується коефіцієнтом температуропровідності, який є часткою від ділення коефіцієнта теплопровідності ґрунту на його об'ємну теплоємність. Коефіцієнт температуропровідності характеризує зміну температури одиниці об’єму ґрунту внаслідок надходження деякої кількості теплоти за 1 секунду через поперечний переріз 1 см² при градієнті температур 1⁰ : 1см і виражається у см²/сек. Він залежить від структури та складення ґрунту.

Сухі ґрунти швидше нагріваються і гірше проводять тепло, ніж вологі. Разом з тим вологі ґрунти потребують для нагрівання біль-шої кількості тепла, ніж сухі, вони весною тривалий час залиша-ються холодними з поверхні, ніж сухі, але рівномірніше прогріва-ються. У холодну пору року (до замерзання) та вночі, навпаки, вологі ґрунти тепліші, ніж сухі (внаслідок більшої теплоємності).