Лабораторна робота № 2. Методика визначення температури грунту та грунтові мікрометеорологічні дослідження

 

          Обладнання: комплект колінчастих термометрів Савінова, строковий ртутний термометр, максимальний термометр, мінімальний термометр, термометр-щуп, витяжний (глибинний) термометр.

 

Завдання 1. Дати характеристику основних показників теплового режиму грунту і методів їх визначення:

-         показники теплового режиму;

-         прилади, обладнання, їх застосування.

Завдання 2. Ознайомитись з приладами для визначення температури грунту, представленими у лабораторії. Для кожного з термометрів визначити діапазон виміру температурних показників, ціну поділок (від найбільшої до найменшої) та сферу застосування.

Завдання 3. Замалювати у зошиті та описати будову і принцип дії основних приладів для визначення температури глибинних шарів грунту:

-         колінчастих термометрів Савінова;

-         глибинного (витяжного) термометра;

-         термометра-щупа.

Завдання 4 (Висновок). У висновку проаналізуйте агроекологічне значення температурних показників грунту, порівняйте дані свого варіанту з іншим, обираючи для порівняння метеорологічні станції, розташовані в різних природно-кліматичних зонах України.

 

Теоретичні відомості до роботи

 

Основні прилади для визначення температури грунту

         Температуру грунту на метеостанціях визначають за допомогою:

-         строкового, максимального, мінімального термометра – на поверхні грунту;

-         колінчастих термометрів Савінова (на глибині 5, 10, 15, 20 см);

-         глибинних витяжних термометрів (на глибині 0,4, 0,8, 1,2, 1,6, 1,8, 3,2 м);

-         термометра-щупа (в експедиційних, похідних умовах).

 

         Для встановлення цих приладів на метеомайданчику готується ділянка розміром 2 м на 1 м (рис. 11), яка повністю звільняється від рослинності, дернини, грунт розпушується та вирівнюється.

        Безпосередньо на поверхні ділянки на грунт кладуться термометри строковий, мінімальний та максимальний. Колінчасті термометри Савінова (рис. 9) закопуються у вертикальному положенні в грунт на глибини 5, 10, 15, 20 см. При цьому шкала термометра залишається ззовні – тому покази можна знімати, не витягуючи їх на поверхню. Резервуар (приймальна частина приладу) знаходиться на відповідній глибині, відділений від верхньої частини приладу шаром теплоізоляційного матеріалу (скловати тощо). Трубка термометра Савінова має у нижній частині вигин під кутом 75⁰, що забезпечує міцне утримування приладу в грунті, опірність до поривів вітру тощо.

      Глибинні (витяжні) термометри (рис. 10) встановлюються у спеціальних шахтах, з яких витягуються для зняття показів. Теплоізоляція забезпечується за рахунок конструкції корпусу приладу. Максимальна глибина, на якій вимірюється температура грунту, становить 3,2 м. У таблиці (див. Варіанти завдань до лабораторної роботи № 2) наводяться результати вимірів температурних показників грунту на усіх стандартних глибинах витяжними термометрами.

 

 

 

 

Рис. 9. Грунтовий колінчастий термометр Савінова ТМ-5

 

      Грунтовий термометр Савінова являє собою ртутний термометр з капіляром, подовженим в ділянці між резервуаром і початком шкали і зігнутим в цій частині під кутом 135 °. Подовження капіляра визначається глибиною занурення термометра. Термометри Савінова встановлюються на метеорологічних станціях серіями на теплий сезон для  спостережень на глибинах 5, 10, 15, 20 см.
Температура поверхні грунту - це температура його верхнього шару (товщиною кілька міліметрів), вільного від рослинного покриву, добре розпушувана та не затінена від сонця, а в зимовий час при наявності снігового покриву - температура поверхні снігу. Вимірюється термометром, що лежить відкрито на поверхні грунту і снігового покриву, при цьому резервуар термометра занурений у грунт (сніговий покрив). Вимірювання температури поверхні грунту має великі методичні труднощі через неможливість затінити термометр від дії радіації і внаслідок відмінності радіаційних властивостей резервуара та грунту (снігу).

     Температура грунту на глибині вузла кущіння озимих культур вимірюється в термін спостереження, а також між термінами спостережень вимірюється мінімальна та максимальна температура в шарі грунту на глибині 2,5-3,5 см від поверхні землі (° С) спеціальними максимально - мінімальними термометрами.
      Температура грунту та грунту на глибинах (грунтових горизонтах) - це температура, обумовлена показаннями термометрів та інших датчиків, встановлених на певних глибинах. На метеорологічних станціях температура грунту на глибинах 5, 10, 15, 20 см на оброблюваних ділянках без рослинного покриву визначається в теплу пору року термометрами ТМ-5 Савінова; на глибинах 20, 40, 80, 120, 160, 240 і 320 см - станційними витяжними грунтово-глибинними термометрами під природним покривом.

Рис.10 – Загальний вигляд установки витяжних грунтово-глибинних термометрів

 

 

Рис. 11. Витяжні грунтово-глибинні термометри і термометри ТМ-5 Савінова на метеорологічному майданчику

 

        Температура грунту має суттєвий вплив на формування термічного режиму атмосфери. Дані про температуру грунту необхідні для вирішення багатьох прикладних задач: вони використовуються в сільському господарстві, у будівництві, при експлуатації доріг та підземних комунікацій і. т. д.

          Тепловий режим грунту визначається надходженням тепла і залежить від мінералогічного складу грунту, пористості і вологості, які визначають його теплоємність, теплопровідність, а також залежить від мікрорельєфу, експозиції схилів, рослинності і т. д.
Основним джерелом тепла, що надходить у грунт, є промениста енергія сонця, яка засвоюється поверхневим шаром. Це тепло передається в нижні шари, а також витрачається на нагрівання повітря і випаровування води.

         Той шар грунту, в якому виявляються добові і річні коливання температури залежно від припливу сонячної радіації, носить назву активного або діяльного шару.

Закономірності поширення тепла в грунті.

     Добові і річні коливання температури поверхні грунту внаслідок теплопровідності передаються в більш глибокі  шари. Поширення температурних коливань вглиб грунту (при однорідному складі грунту) відбувається у відповідності з наступними законами Фур'є:
 

• Період коливань з глибиною не змінюється, тобто як на поверхні грунту, так і на всіх глибинах інтервал між двома послідовними мінімумами і максимумами температури становить у добовому ході 24 год, а в річному 12 місяців.

 
• Якщо глибина зростає в арифметичній прогресії, то амплітуда зменшується в геометричній прогресії, тобто зі збільшенням глибини амплітуда швидко зменшується.

Шар грунту, температура в якому протягом доби не змінюється, називають шаром добової температури. У середніх широтах цей шар починається з глибини 70-100 см. Шар постійної річної температури в середніх широтах залягає глибше 15-20 м.

 

• Максимальні та мінімальні температури на глибинах наступають пізніше, ніж на поверхні грунту. Це запізнення прямо пропорційно глибині. Добові максимуми і мінімуми запізнюються на кожні 10 см глибини в середньому на 2,5-3,5 год, а річні на кожен метр глибини запізнюються на 20-30 діб.

         Згідно з теоретичними розрахунками Фур'є, глибина, до якої проявляється річний хід температури грунту, повинна приблизно в 19 разів перевищувати глибину прояву добових коливань. Насправді спостерігаються значні відхилення від теоретичних розрахунків, і в багатьох випадках глибина проникнення річних коливань виявляється більше розрахункової. Це обумовлено розходженням у вологості грунту за глибинами та в часі, зміною температуропровідності грунту з глибиною і іншими причинами.

         У північних широтах глибина проникнення річного ходу температури грунту становить у середньому 25 м, в середніх широтах - 15-20 м, в південних - близько 10 м.

 
                                            Термоізоплети
Матеріали багаторічних спостережень за температурою грунту на різних глибинах можуть бути представлені графічно.

Рис.12. Ізоплети температури грунту на глибинах

       На такому графіку показано взаємозв’язок температури грунту, глибини і часу. Для побудови графіка на вертикальній осі відкладають глибини, а на горизонтальній - час (зазвичай місяці). На графік наносять середню місячну температуру грунту на різних глибинах. Потім крапки з однаковою температурою з'єднують плавними лініями, які називають термоізоплетами (рис. 12).
Термоізоплети дають наочне уявлення про температуру активного шару грунту на будь-якій глибині в кожен місяць. Такі графіки використовують, наприклад, для визначення глибини проникнення критичних температур, які ушкоджують кореневу систему плодових дерев.

        Ці графіки використовують також у комунальному господарстві, у промисловому і дорожньому будівництві, при меліорації.
         Потужність мерзлого шару обов'язково враховується при закладанні дрен (труба чи підземний канал для відведення грунтових вод) в меліорованих районах.

 

Рис. 13. Ґрунтові витяжні термометри та терміновий (строковий) ґрунтовий термометр

 

Рис. 14. Комплект 4-х термометрів Савінова ТМ-5 у коробці