Суточный и годовой ход температуры почвы. Суточный ход температуры поверхности почвы

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.

Суточный и годовой ход температуры поверхности почвы

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Суточный и годовой ход температуры поверхности почвы
Рубрика (тематическая категория)	География

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. Далее начинается её понижение, хотя радиационный баланс ещё остается положительным. Объясняется это тем, что после 13 часов возрастает отдача тепла поверхностью почвы в воздух путем турбулентности и за счёт 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 её слои. Слой почвы или воды, температура которого испытывает суточные и годовые колебания, называется активным.

Распространение температурных колебаний в глубь почвы описывается тремя законами Фурье˸

Суточный и годовой ход температуры поверхности почвы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Суточный и годовой ход температуры поверхности почвы" 2015, 2017-2018.

Суточный и годовой ход температуры почвы - это измерение температуры в течение суток или года: днем почва нагревается, ночью охлаждается, минимальную температуру имеет при ясной погоде перед восходом солнца, а максимальную около 13 ч, затем температура начинает снижаться. На амплитуду (разность между. максимумом и минимумом температуры) влияют:

время года (летом амплитуда наибольшая);

географическая широта (амплитуда уменьшается от тропиков к полюсам);

рельеф (южные склоны нагреваются сильнее северных);

растительный и снежный покров снижают амплитуду;

рыхлые почвы имеют большую амплитуду, чем плотные;

темные почвы нагреваются сильнее светлых, поэтому амплиту­да температуры темных почв выше, чем светлых;

сухие почвы нагреваются сильнее влажных;

при облачной погоде амплитуда снижается.

Годовой ход температуры поверхности почвы определяется в основном приходом солнечного тепла в течение года. В умеренных широтах северного полушария максимум среднемесячной темпе­ратуры наблюдается в июле, минимум - в январе-феврале. На амплитуду годового хода температуры в основном влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода температур, но амп­литуда годового хода температур возрастает с увеличением широ­ты. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температур, называют активным слоем.

Закономерности распространения тепла в почве подчиняются законам Фурье.

1. Независимо от типа почвы период колебаний не изменяется с глубиной, то есть интервал на всех глубинах между максимума­ми и минимумами в суточном ходе температуры 24 ч, в годо­вом - 12 мес.

2. Возрастание глубины в арифметической прогрессии приво­дит к уменьшению амплитуды температуры в геометрической прогрессии. Так, на поверхности суточная амплитуда равна 30 °С, на глубине 20 см - 5, на глубине 40 см - 1 °С, с глубины 70 см на­чинается слой постоянной суточной температуры. Амплитуда го­довых колебаний температуры уменьшается с глубиной по тому же закону. Постоянную температуру в средних широтах наблюда­ют на глубине 15...20см.

3. Сроки наступления максимальных и минимальных темпе­ратур как в суточном, так и в годовом ходе запаздывают с глуби­ной пропорционально ее увеличению; суточные - на 2,5...3,5 ч на каждые 10 см глубины, годовые - на 20...30сут на каждый метр глубины.

Рис. 4.3. Изоплеты годового хода температуры почвы в Москве на оголенном участке (а) и под травяным покровом (б)

Изменения температуры в почве с глубиной в течение суток или года можно представить в виде графика изоплет (рис. 4.3). На­неся средние значения температуры на разных глубинах для конк­ретного пункта наблюдений в различные месяцы (часы), плавно проводят изолинии (изоплеты), соединяющие точки с равными температурами.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите процессы нагревания и охлаждения почвы. 2. При каких усло­виях тепло идет в глубь почвы (тип инсоляции), а при каких поток тепла направ­лен из глубины к поверхности (тип излучения)? 3. Опишите приборы и методы измерения температуры почвы и грунта. 4. Что влияет на амплитуду суточного хода температуры почвы? 5. Что такое график изоплет?

Температура на поверхности почвы имеет отчетливо выраженный суточный ход. Кривая суточного хода на графике время – температура имеет вид синусоиды (рис.6.3). Минимум ее наблюдается примерно через полчаса после восхода солнца, когда радиационный баланс становится положительным и отдача тепла из верхнего слоя почвы эффективным излучением перекрывается потоком суммарной радиации. Максимум температуры почвы наступает от 13 до 14 часов, при максимуме радиационного баланса. После этого происходит падение температуры до минимума. Понижение температуры в послеполуденное время при положительном радиационном балансе связано с возросшими расходами тепла не только за счет эффективного изучения, но и путем теплопроводности и увеличившегося испарения воды. Происходит отдача тепла и вглубь почвы. Эти потери оказываются большими, чем радиационный приток, и температура после полудня начинает понижаться до утреннего минимума. Следует отметить, что утренние минимумы температуры на поверхности почвы бывают ниже, чем в воздухе, что и объясняет заморозки на почве в переходные сезоны в умеренных широтах.

Кривая суточного хода температуры в отдельные сутки может существенно отклоняться от правильной синусоиды в зависимости от изменений облачности, осадков, или адвективных изменений температуры воздуха.

Разница между минимальной и максимальной суточными температурами называется суточной амплитудой температуры.

Рис. 6.2. Средний суточный ход температуры на поверхности почвы (П) и в воздухе на вы­соте 2 м (В).

В Московской области суточные амплитуды летом составляют 10-20 0 С, зимние 5-10°С. Суточные амплитуды температуры почвы зависят от ряда факторов:

· облачности (в безоблачную погоду наблюдается большой дневной приход солнечной радиации и большое эффективное излучение ночью);

· экспозиции склонов (склоны южной экспозиции, обращенные к солнцу, получают больше радиации, чем склоны северной экспозиции, а ночное излучение не зависит от экспозиции).

· характера почвенного покрова (растительный покров, в общем, охлаждает почву, препятствуя ее радиационному нагреву, и снижает суточные амплитуды). Снежный покров предохраняет почву зимой от чрезмерной потери тепла, суточная амплитуда почвы под снегом также уменьшается. В умеренных широтах при высоте снежного покрова в 40-50 см температура поверхности почвы под ним на 6-7° выше, чем температура обнаженной почвы. Совместное действие растительного покрова летом и снежного покрова зимой уменьшает годовую амплитуду температуры на поверхности почвы примерно на 10° по сравнению с амплитудой температуры обнаженной почвы.

Годовая амплитуда температуры почвы, т.е. разность многолетних средних температур самого теплого и самого холодного месяца , в значительной степени зависит от географической широты. В северном полушарии на широте 10° она составляет около 3°С, на широте 30° - около 10°С, на широте 50° - в среднем около 25°С.

Суточные и годовые колебания температуры наблюдаются и по профилю почвы (рис. 6.4, 6.5). Наблюдениями установлено, что период колебаний температуры не изменяется с глубиной, происходит лишь уменьшение амплитуды.

Рис. 6.4. Годовой ход температуры в почве на разных глубинах от 3 до 753 см .

Экспериментальные данные свидетельствуют, что изменения температуры с глубиной в почвах достаточно близко описываются законами теории молекулярной теплопроводности, предложенной Фурье и получившими название законов Фурье.

Рис. 6.5. Суточный ход температуры в почве на разных глубинах от 1 до 80 см.

Первый закон Фурье - период колебаний температуры не изменяется с глубиной. Это значит, что на любой глубине (до слоя постоянных температур) в почвах сохраняется суточный и годовой ход температуры.

Второй закон Фурье - возрастание глубины в арифметической прогрессии приводит к уменьшению амплитуды в прогрессии геометрической.

Убывание амплитуды с глубиной приводит к тому, что на некоторой глубине (меньшей для суточных и большей для годовых амплитуд) колебания температуры практически прекращаются. Это слой суточной или годовой постоянной температуры. В зависимости от конкретных условий (типа почвы, ее влажности) слой постоянной суточной температуры располагается на глубине 70-100 см. Слой постоянной годовой температуры располагается на глубинах около 30 м в полярных широтах, 15-20 м - в средних широтах и около 10 м - в тропиках.

Третий закон Фурье гласит, что сроки наступления максимальных и минимальных температур, как в суточном, так и в годовом ходе запаздывают с глубиной пропорционально увеличению глубины.

Суточные экстремумы запаздывают на 2.5-3.5 часа, а годовые - на 20-30 дней. В соответствии с этим законом распределение температуры в почве по вертикали в разные сезоны меняется. Летом температура от поверхности почвы в глубину падает (режим инсоляции), зимой растет (режим излучения), весной она сначала растет, потом падает (промежуточный весенний), осенью, наоборот, сначала убывает, потом растет (промежуточный осенний).

Согласно четвертому закону Фурье глубины слоев постоянной суточной (1 день) и годовой (365 дней) температур соотносятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний, т.е. как 1:19.

В водоемах нагревание и охлаждение распространяется на более толстый слой, чем в почвах, но амплитуды колебаний температуры (и суточные, и годовые) значительно меньше. Суточные амплитуды температуры составляют 0,1° - 0,2° в умеренных широтах и около 0,5° в тропиках. Годовые амплитуды колебаний температуры на поверхности океана значительно больше суточных, но меньше, чем на поверхности почв. В тропиках она составляет 2-3 0 , под 40° с.ш. - 10°, а под 40° ю.ш. - 5°. Суточные колебания температуры обнаруживаются до глубин 15-20 м, годовые - до 150-400 м.

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.