Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Термические свойства почвы являются компонентом физики почвы, который нашел важное применение в инженерной, климатологической и сельскохозяйственной отраслях. Эти свойства влияют на распределение энергии в профиле почвы. Хотя это и связано с температурой почвы, точнее связано с передачей энергии (в основном в виде тепла) по всей почве, путем излучения, проводимости и конвекции. Основные тепловые свойства почвы: объемная теплоемкость, единицы СИ: J∙m−3∙K−1 Теплопроводность, единицы СИ: W∙m−1∙K−1 Тепловая диффузивность, единицы СИ: m2∙s−1
The thermal properties of soil are a component of soil physics that has found important uses in engineering, climatology and agriculture. These properties influence how energy is partitioned in the soil profile. While related to soil temperature, it is more accurately associated with the transfer of energy (mostly in the form of heat) throughout the soil, by radiation, conduction and convection. The main soil thermal properties are
Volumetric heat capacity, SI Units: J∙m−3∙K−1
Thermal conductivity, SI Units: W∙m−1∙K−1
Thermal diffusivity, SI Units: m2∙s−1
Одно- и двухмерные тепловые зонды
Метод с одним зондом использует источник тепла, вставленный в почву, при котором тепловая энергия применяется непрерывно с заданной скоростью. Термические свойства почвы можно определить путем анализа температурного ответа, прилегающего к источнику тепла, с помощью теплового датчика. Этот метод отражает скорость, с которой тепло удаляется от зонда. Ограничение этого устройства заключается в том, что оно измеряет только теплопроводность. Применимыми стандартами являются: Руководство IEEE по измерению теплового сопротивления почвы (стандарт IEEE 442 1981 г.), а также стандартный метод испытаний ASTM D 5334 08 для определения теплопроводности почвы и мягкой породы методом термоиглового зондирования. После дальнейших исследований была разработана техника двойного зондирования теплового импульса. Он состоит из двух параллельных игольных зондов, разделенных расстоянием (r). Один зонд содержит нагреватель, а другой - датчик температуры. Двойной зондирующий прибор вставляется в почву, на него подается тепловой импульс, и датчик температуры регистрирует ответ в зависимости от времени. То есть тепловой импульс посылается от зонда через почву (r) к датчику. Большим преимуществом этого устройства является то, что оно измеряет как тепловую диффузивность, так и объемную теплоемкость. На основе этого можно рассчитать теплопроводность, то есть двойной зонд может определить все основные тепловые свойства почвы. Были отмечены потенциальные недостатки тепловой импульсной техники. Это включает в себя небольшой измеряемый объем почвы, а также измерения, чувствительные к контакту зонда с почвой и датчика с расстоянием между нагревателями.
The single probe method employs a heat source inserted into the soil whereby heat energy is applied continuously at a given rate. The thermal properties of the soil can be determined by analysing the temperature response adjacent to the heat source via a thermal sensor. This method reflects the rate at which heat is conducted away from the probe. The limitation of this device is that it measures thermal conductivity only. Applicable standards are: IEEE Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements (IEEE Standard 442 1981) as well as with ASTM D 5334 08 Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure. After further research the dual probe heat pulse technique was developed. It consists of two parallel needle probes separated by a distance (r). One probe contains a heater and the other a temperature sensor. The dual probe device is inserted into the soil and a heat pulse is applied and the temperature sensor records the response as a function of time. That is, a heat pulse is sent from the probe across the soil (r) to the sensor. The great benefit of this device is that it measures both thermal diffusivity and volumetric heat capacity. From this, thermal conductivity can be calculated meaning the dual probe can determine all the main soil thermal properties. Potential drawbacks of the heat pulse technique have been noted. This includes the small measuring volume of soil as well as measurements being sensitive to probe to soil contact and sensor to heater spacing.
Далекое зондирование
Удаленное зондирование со спутников, самолетов значительно улучшило способы определения и использования изменений в тепловых свойствах почвы для многих аспектов человеческих усилий. В то время как дистанционное зондирование отраженного света с поверхностей действительно указывает на тепловую реакцию верхних слоев почвы (несколько молекулярных слоев толщиной), это тепловая инфракрасная длина волны, которая обеспечивает изменения энергии, распространяющиеся на различные мелкие глубины ниже поверхности земли, которая представляет наибольший интерес. Тепловой датчик может обнаруживать изменения в тепловых передачах в и из близлежащих поверхностных слоев из-за внешнего нагрева тепловыми процессами проводимости, конвекции и излучения. Микроволновое дистанционное зондирование со спутников также оказалось полезным, поскольку оно имеет преимущество перед TIR в том, что на него не влияет облачность. Различные методы измерения тепловых свойств почвы использовались для оказания помощи в различных областях, таких как: расширение и сжатие строительных материалов, особенно в замерзающих почвах, долговечность и эффективность газопроводов или электрических кабелей, зарытых в землю, схемы энергосбережения, в сельском хозяйстве для выбора времени посадки, чтобы обеспечить оптимальное появление саженцев и рост урожая, измерение выбросов парниковых газов в качестве тепловых эффектов, высвобождение углекислого газа из почвы. Термические свойства почвы также становятся важными в таких областях экологической науки, как определение движения воды в радиоактивных отходах и определение местоположения зарытых наземных мин.
Remote sensing from satellites, aircraft has greatly enhanced how the variation in soil thermal properties can be identified and utilized to benefit many aspects of human endeavor. While remote sensing of reflected light from surfaces does indicate thermal response of the topmost layers of soil (a few molecular layers thick), it is thermal infrared wavelength that provides energy variations extending to varying shallow depths below the ground surface which is of most interest. A thermal sensor can detect variations to heat transfers into and out of near surface layers because of external heating by the thermal processes of conduction, convection, and radiation. Microwave remote sensing from satellites has also proven useful as it has an advantage over TIR of not being effected by cloud cover. The various methods of measuring soil thermal properties have been utilized to assist in diverse fields such as; the expansion and contraction of construction materials especially in freezing soils, longevity and efficiency of gas pipes or electrical cables buried in the ground, energy conservation schemes, in agriculture for timing of planting to ensure optimum seedling emergence and crop growth, measuring greenhouse gas emissions as heat effects the liberation of carbon dioxide from soil. Soil thermal properties are also becoming important in areas of environmental science such as determining water movement in radioactive waste and in locating buried land mines.
Применение
Термическая инерция почвы позволяет использовать землю для подземного хранения тепловой энергии. Солнечная энергия может быть переработана с лета на зиму, используя землю в качестве долгосрочного хранилища тепловой энергии, прежде чем ее извлекают тепловые насосы наземного источника зимой. Изменения в количестве растворенного органического углерода и почвенного органического углерода в почве могут повлиять на его способность дышать, увеличивая или уменьшая поглощение углерода почвы. Кроме того, критерии проектирования системы MCS для тепловых насосов поверхностного источника с мелким циклом требуют точного считывания теплопроводности in situ. Это можно сделать с помощью вышеупомянутого теплового зонда для точного определения теплопроводности почвы по всей площадке.
The thermal inertia of the soil enables the ground to be used for underground thermal energy storage. Solar energy can be recycled from summer to winter by using the ground as a long term store of heat energy before being retrieved by ground source heat pumps in winter. Changes in the amount of dissolved organic carbon and soil organic carbon within soil can effect its ability to respirate, either increasing or decreasing the soils carbon uptake. Furthermore, MCS design criteria for shallow loop ground source heat pumps require an accurate in situ thermal conductivity reading. This can be done by using the above mentioned thermal heat probe to accurately determine soil thermal conductivity across the site.