土壤物理與沖蝕Lecture-8-土壤溫度與熱之流動(dòng)Soi課件

土壤物理與沖蝕

Lecture8

土壤溫度與熱之流動(dòng)

(SoilTemperatureandHeatFlow)1SoilPhysics&Erosion:Lecture8土壤物理HY460土壤沖蝕固相流相一般土壤物理特性質(zhì)地、粒徑分佈與比表面積黏粒之性質(zhì)及行為土壤構(gòu)造與團(tuán)?；饔猛寥浪郑汉颗c勢(shì)能水之性質(zhì)與多孔體之關(guān)係通氣性與熱之流動(dòng)通論影響因素估算緒論分類、過(guò)程與機(jī)制水土地表覆蓋地形土壤流失量2SoilPhysics&Erosion:Lecture8緒論土壤溫度為了反映經(jīng)過(guò)土壤表層所發(fā)生之輻射能、熱能及潛能交換過(guò)程之變化而變異。此類現(xiàn)象的效應(yīng)，以複雜系列的輸送過(guò)程，傳播深入土壤剖面中，其速率受因時(shí)空變異的土壤性質(zhì)之影響。

土壤溫度數(shù)值及其隨時(shí)空變化之方式，都是決定能量及質(zhì)量與大氣交換速率與方向的主要因子。溫度能控制發(fā)生於土壤中的化學(xué)反應(yīng)類型及速率。土壤溫度強(qiáng)烈地影響生物過(guò)程，諸如萌芽，抽苗，生長(zhǎng)，發(fā)根及微生物之活力等。3SoilPhysics&Erosion:Lecture8能量轉(zhuǎn)移方式

三個(gè)能量轉(zhuǎn)移方式：輻射、對(duì)流及傳導(dǎo)：輻射（Radiation）係指從高於0°K物體，以類似電磁波形式放出能量。根據(jù)Stephan-Bo1tzmann定律，物體放出所有波長(zhǎng)之總能量Jt與物體表面絕對(duì)溫度T之四次方成正比：σ為常數(shù)及ε放射係數(shù)(Emissivitycoefficient)，完全放射體(Perfectemitter)之?dāng)?shù)值為1（黑體）。

4SoilPhysics&Erosion:Lecture8能量轉(zhuǎn)移一般土壤表面溫度在30O°K上下，所放出之輻射線頂峯強(qiáng)度約在10μm波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)分佈在3-50μm範(fàn)圍內(nèi)，為紅外線(Infrared)或熱輻射領(lǐng)域。另一光譜是由太陽(yáng)所輻射，一如黑體其表面溫度約為6000°k。太陽(yáng)輻射含0.3-0.7μm之可見(jiàn)光，較大波長(zhǎng)(高至3μm)之紅外線輻射及紫外線輻射（λ＜0.3μm），前者稱為地球放出光譜長(zhǎng)波輻射，而後者稱為收入太陽(yáng)光譜短波輻射。次一能量轉(zhuǎn)移方式稱為對(duì)流（Convection），包含載熱質(zhì)量之移動(dòng)，一如海洋中水流或大氣中風(fēng)一樣。較與土壤物理學(xué)有關(guān)的實(shí)例可能是熱廢水（來(lái)自發(fā)電廠）滲入原是冷的土壤中。

5SoilPhysics&Erosion:Lecture8能量轉(zhuǎn)移第三種能量移動(dòng)方式是傳導(dǎo)（Conduction），乃物體以內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)方式傳播熱量，由於溫度乃表示物體分子動(dòng)能，物體中如有溫度差存在，將促使動(dòng)能以快速運(yùn)動(dòng)分子無(wú)數(shù)次碰撞方式，從物體較熱區(qū)域轉(zhuǎn)移至附近較冷區(qū)域之分子。有一綜合現(xiàn)象可視為第四種方式，即潛熱轉(zhuǎn)移(Latentheattransfer)

，如蒸餾(Distillation)

過(guò)程，包括吸熱之蒸發(fā)期，隨之以蒸汽的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最後是放熱之凝結(jié)期。土壤表面之熱轉(zhuǎn)移可以上述機(jī)制發(fā)生。土壤內(nèi)主要的熱輸送過(guò)程是以分子傳導(dǎo)方式行之，輻射、對(duì)流及蒸餾為次要的熱轉(zhuǎn)移形式。

6SoilPhysics&Erosion:Lecture8裸露土壤中能量平衡

裸露土壤表面輻射平衡(vanBave1andHi11e1，1976)：Jn為淨(jìng)輻射(Netradiation)，即所有吸入輻射能之和減去放出輻射能之和Js

為自太陽(yáng)收入短波輻射能流束Ja

為自大氣天空收入短波輻射能流束Jli自天空收入長(zhǎng)波輻射能流束，而Jle

為自土壤放出之長(zhǎng)波輻射能流束α為反射率（Albedo）或反射係數(shù)（Reflectivitycoefficient），乃收入短波輻射被土壤表面反射之分率。

7SoilPhysics&Erosion:Lecture8裸露土壤能量平衡

土壤接受之淨(jìng)輻射被轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔岣咄寥琅c空氣溫度並汽化水分，表面能量平衡可寫如下式：S為土壤熱量流束（表面向下之熱量傳送速率）A為自表面放入空氣中“有感(Sensible)”熱量流束LE為蒸發(fā)熱量流束，乃蒸發(fā)率E與單位蒸發(fā)水量潛能L之乘積?？偙砻婺芰科胶夤綖?習(xí)慣上，如方向朝下，則所有能量平衝中各部分能量均取正值，否則應(yīng)為負(fù)值。8SoilPhysics&Erosion:Lecture8土壤中之熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)第一定律(

Fourier定律)：物體中熱量流束方向與溫度梯度一致，且與之成正比：qh為熱量流束（Thermalflux），即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位橫切面積傳導(dǎo)之熱量，以cal/cm2sec表示K為熱傳導(dǎo)度（ThermalConductivity），單位為cal/cm°ksec▽T為溫度之空間梯度，以°K/cm示之如熱量流束為watts/m，而梯度為°K/m，則熱傳導(dǎo)度設(shè)定為watts/m°k。9SoilPhysics&Erosion:Lecture8土壤熱傳導(dǎo)若考慮非穩(wěn)定狀態(tài)或遷移狀態(tài)，需用第二定律(類似Fick擴(kuò)散第二定律）：在無(wú)熱來(lái)源及無(wú)熱消失情況下，傳導(dǎo)媒體（土壤）體積單元中熱含量之時(shí)間變率必須等於隨距離而變之流束變化ρ為質(zhì)量密度，及Cm為單位質(zhì)量之比熱容量（比熱，單位溫度變化物體單位質(zhì)量熱含量之變化）。其乘積ρCm（常設(shè)為C）為單位體積之比熱容量為溫度之時(shí)間變率10SoilPhysics&Erosion:Lecture8土壤熱傳導(dǎo)聯(lián)合前二式，可得熱傳導(dǎo)第二定律（Second1awofHeatConduction）：熱傳導(dǎo)度K與體積熱容量C（=ρCm）之比值稱為熱擴(kuò)散度(Therma1diffusivity)設(shè)定為DT，因之特殊情形下，DT

可視為定值，故上式可寫做：

解此式以可得隨時(shí)間及空間而變異之溫度描述，但需知相關(guān)三個(gè)參數(shù)數(shù)值，即體積熱容量C，熱傳導(dǎo)度K及熱擴(kuò)散度DT，三者統(tǒng)稱為土壤的熱性質(zhì)

(Thermalproperties)。

11SoilPhysics&Erosion:Lecture8土壤之體積熱容量土壤之體積熱容量C

(Volumetricheatcapacity)

，定義為單位溫度變化單位土壤體積之熱含量。它的單位是cal/cm3或J/M3°K。因之，C視土壤固相成分（礦物及有機(jī)組成），容積密度及土壤之濕度而定12SoilPhysics&Erosion:Lecture8土壤之熱傳導(dǎo)度熱傳導(dǎo)度K(ThermalConductivity)，為於單位溫度梯度(Temperaturegradient)之情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳送之熱量。因它的礦物成分及有機(jī)物含量而異，同時(shí)也視水分及空氣體積分率而定。由於空氣之熱傳導(dǎo)度還較之水分及固體物為低，高空氣含量〈低水分含量