Поширення тепла в глиб грунту
1. До поширення тепла в грунті може бути застосована загальна теорія молекулярної теплопровідності, запропонована свого часу Фур'є, і закони поширення тепла в грунті звуться законів Фур'є. Спостереження показують, що фактичне поширення тепла в грунті досить близько відповідає цим законам.
Чим більше щільність і вологість ґрунту, тим краще вона проводить тепло, тим швидше поширюються в глибину і тим глибше проникають коливання температури. Але, незалежно від типу грунту, період коливань температури не змінюється з глибиною (перший закон Фур'є). Це означає, що не тільки на поверхні, але і на глибинах залишається добовий хід з періодом 24 год і річний хід з періодом 12 міс.
Однак амплітуди коливань з глибиною зменшуються. При цьому зростання глибини в арифметичній прогресії призводить до зменшення амплітуди в прогресії геометричної (другий закон Фур'є). Так, якщо на поверхні добова амплітуда дорівнює 30 ° С, а на глибині 20 см 5 ° С, то на глибині 40 см вона буде вже менше 1 ° С (рис. 18).
На деякій порівняно невеликій глибині добова амплітуда убуває настільки, що стає практично рівною нулю. На цій глибині (близько 70-100 см, в різних випадках різної) починається шар постійної добової температури.
Амплітуда річних коливань температури зменшується з глибиною за тим же законом. Однак річні коливання поширюються до більшої глибини, що цілком зрозуміло: для їх поширення є більше часу. Амплітуди річних коливань зменшуються практично до нуля на глибині близько 30 м в полярних широтах, близько 15-20 м в середніх широтах, близько 10 м в тропіках (де і на поверхні грунту річні амплітуди менше, ніж в середніх широтах). На цих глибинах починається шар постійної річної температури.
Мал. 19. Річний хід температури грунту на, різних глибинах. Калінінград.
Четвертий закон Фур'є говорить про те, що глибини шарів постійної добової і річної температури відносяться між собою як коріння квадратні з періодів коливань, т. Е. Як 1. д / 365. Це означає, що глибина, на якій загасають річні коливання, в 19 разів більше, ніж глибина, на якій загасають добові коливання. II цей закон, так само як і інші закони Фур'є, досить добре підтверджується спостереженнями.
Ускладнення вносяться неоднорідністю складу і структури грунту. Крім того, тепло поширюється в глиб грунту разом з просочуванням опадів, що, звичайно, не підкоряється законам молекулярної теплопередачі.
З відмінностями в річному ході температури на різних глибинах пов'язано розподіл температури в грунті по вертикалі в різні сезони. Саме, влітку температура від поверхні грунту в глибину падає, взимку зростає, навесні вона спочатку зростає, а потім зменшується, восени спочатку убуває, а потім зростає.
Мал. 20. Ізоплети річного ходу температури грунту. Тбілісі.
2. Зміни температури в грунті з глибиною протягом доби або року можна уявити за допомогою графіка ізоплет. По осі абсцис відкладається час в годинах або в місцях року, а по осі ординат - глибина в грунті. Кожній точці на графіку відповідають певний час і певна глибина. На графік наносять середні значення температури на різних глибинах в різні години або місяці. Провівши потім ізолінії, що з'єднують точки з рівними температурами, наприклад через кожен градус або через кожні 2 градуси, отримаємо сімейство термоізоплет (рис. 20). За таким графіком можна визначити значення температури для будь-якого моменту доби або дня року і для будь-якої глибини в межах графіка.
