8.3. Тепловий режим ґрунтів

Під тепловим режимом ґрунту розуміють сукупність всіх явищ надходження, акумуляції та віддачі тепла ґрунтом. Основним показником теплового режиму є температура ґрунту. Він визначається показниками температури ґрунту на різних глибинах протягом певного інтервалу часу. Нерідко тепловий режим ґрунту називають температурним.

Температура ґрунту - величина дуже динамічна та обумов-люється кількістю променистої енергії, що надходить на поверхню ґрунту. Рівновага між температурою атмосфери і 0-5 см шару ґрунту встановлюється протягом декількох хвилин. Оскільки кількість сонячної енергії, що надходить протягом доби та протягом року циклічно змінюється, тому розрізнять добовий та річний хід температури ґрунту.

Добова динаміка температури різко виражена у шарі ґрунту 0-50 см. Вдень тепловий потік спрямований зверху вниз; вночі - знизу наверх. Максимум добової температури ґрунту спостерігається на поверхні вдень, біля 13 годин, мінімум - перед сходом сонця. З глибиною амплітуда коливань температури знижується і добова динаміка температури на глибині 50 см практично повністю затухає. При цьому, з глибиною настання добового максимуму та мінімуму температури в часі настає із запізненням і на глибині 40-50 см може складати 6-8 годин. На добовий режим температури ґрунтів суттєво впливають клімат і погодні умови місцевості, воло-гість ґрунтів, їх гранулометричний склад, стан поверхні, кількість органічної речовини, забарвлення, рельєф, наявність снігового покриву. Значний вплив на добовий режим температури ґрунтів має багаторічна лісова рослинність, згладжуючи перепади температур.

Зміна температури поверхні ґрунту протягом доби відбувається синусоїдально: вона підвищується після сходу сонця до полудня, а потім знижується до заходу сонця і протягом ночі. Чим ясніша погода, тим вище температурний максимум і тим нижче темпера-турний мінімум шару ґрунту, тим повільніше відбувається тепло-передача вглиб ґрунту і у зворотному напрямку до його поверхні і тим більшим є градієнт температур (рис. 8.1).

Рисунок 8.1. Добовий хід температури мерзлотного лучно-лісового ґрунту (за В. М. Дімо, 1972). де: а - пар; б - пшениця; в - ялинник; 1 - поверхня; 2 - 10 см; 3 - 20 см; 4 - 50 см.

Річний режим температури ґрунтів має значну амплітуду коливань і виражений на більшу глибину, ніж добовий. Зона активної дії сезонної динаміки обмежена 3-4 метровою товщею ґрунту. В помірних широтах річний хід температури ґрунту має мінімум в січні або лютому та максимум липні-серпні. Для кожного типу ґрунту характерний свій річний хід кривих температури. Найвища амплітуда температур протягом року характерна для поверхні ґрунту і може складати 25-35 ⁰С (М. Ф. Созикін).

Тепловий баланс поверхні ґрунту - сукупність надходження і витрат потоків усіх видів енергії, що трансформуються в енергію теплову на межі між діяльною поверхнею й атмосферою за визначений проміжок часу. Тепловий баланс включає ряд величин:

- Тб - радіаційний баланс, тобто алгебраїчна сума сонячної енергії, що надходить до поверхні ґрунту та випромінюється ґрунтом;

- Тк - турбулентний потік тепла, пов'язаний з механізмом теплообміну між поверхнею ґрунту і повітрям;

- Тт - тепло, що витрачається на випаровування вологи з ґрунту і транспірацію її рослинами;

- Тп - теплообмін між шарами ґрунту або тепловий потік з одних глибин ґрунту в інші.

Тепловий баланс виражається рівнянням:

R = LE+P+A,

де: R - радіаційний баланс, кДж/м²·с; LЕ - витрати тепла на випаровування або виділення тепла при конденсації (L - прихована теплота випаровування; Е - величина випаровування або конденсації); Р - витрати тепла на турбулентний обмін; А - теплообмін між діяльною поверхнею ґрунту та атмосферою.

Р івняння теплового балансу ґрунту є рівністю величин різних потоків:

де: Т_б - власне радіаційний баланс (ураховує прибуткові - пряму, розсіяну, довгохвильову радіацію й видаткові статті - відбиту і випромінену радіацію); Т_к - потік тепла, що виникає при теплообміні ґрунту з приземним повітрям; Т_m - тепло, що витрачається на фізичне випаровування і транспірацію повітря, або те, яке виникає при замерзанні - відтаванні; Т_п - тепло, що виникає при його передаванні з однієї глибини на іншу.

Як і будь-який інший баланс, тепловий баланс ґрунту, згідно із законом збереження енергії, повинен бути нульовим, хоча окремі його статті можуть істотно змінюватися, а ґрунт у багаторічному циклі - еволюціонувати до прохолоднішого чи, навпаки - більш теплого.

Типи температурного режиму грунтів. Одну з перших класифікацій температурного режиму грунтів запропонував О. М. Шульгін, який виділяє жаркий, теплий, помірно теплий, помірно холодний та холодний типи клімату ґрунтів без кількісних показників. Він вважав, що в якості діагностичного показника доцільно використовувати середньорічну температуру а пізніше запропонував кількісні показники для типів ґрунтового клімату.

В. М. Дімо в якості основного показника при класифікації температурного режиму грунтів використала середньорічну темпе-ратуру ґрунту на глибині 0,2 м. Всі ґрунти вона розділила на дві групи:

- що промерзають та морозні ґрунти. Температура таких ґрунтів на глибині 0,2 м від’ємна.

- що не промерзають. Температура таких ґрунтів на глибині 0,2 м плюсова.

В основі виділення типів температурного режиму ґрунтів за В.М. Дімо взято особливості теплообміну теплового балансу (процеси нагрівання та розмерзання, охолодження та промерзання ґрунтів) між ґрунтом та атмосферою. Всього виділено чотири типи температурного режиму ґрунтів.

- мерзлотний тип. Переважають процеси охолодження ґрунтів. Середньорічна температура від’ємна. В теплий період року відбувається прогрівання та відтавання верхнього діяльного шару. Наявна суцільна вічна мерзлота. Промерзання ґрунту до межі вічної мерзлоти.

- тривало сезонно промерзаючий тип. Тривалість періоду проме-рзання складає не менше 5 місяців. Середньорічна температура переважно позитивна. Глибина промерзання не менше 1,0 м. Зми-кання з вічномерзлими породами не відбувається. Вічна мерзлота відсутня або острівна.

- сезонно промерзаючий тип. Переважають процеси прогрівання грунтів. Середньорічна температура позитивна. Промерзання ґрунту неглибоке та триває від кількох днів до 5 місяців. Вічна мерзлота відсутня.

- непромерзаючий тип. Зміна сезонних процесів прогрівання та охолодження грунтів відбувається без промерзання та морозності. Від’ємні температури ґрунту не спостерігаються або тримаються від одного до декількох днів. Температура ґрунту на глибині 0,2 м в самий холодний місяць року плюсова.

В. М. Дімо вказувала і на необхідність виділення окремого типу температурного режиму для грунтів тропічного поясу із постійними високими температурами (>10⁰С).

Суттєвою характеристикою клімату ґрунтів є його континен-тальність, яка відображає величину річних коливань температури. В. М. Дімо запропонувала виділяти п’ять підтипів клімату за континентальністю за показником амплітуди річної температури ґрунту на глибині 0,2 м (табл. 8.4).

Таблиця 8.4

Підтипи клімату за континентальністю (В. М. Дімо, 1972)

Підтип клімату	Річна амплітуда температури ґрунту на глибині 0,2 м, 0С
М’який (морський)	<16
Помірно континентальний	16-24
Континентальний	24-32
Різко континентальний	32-40
Екстра континентальний	>