第一節(jié) 土壤和空氣的熱量交換方式和熱特性

1、第一節(jié)第一節(jié)土壤和空氣的熱量交換方式和熱特性土壤和空氣的熱量交換方式和熱特性一、土壤和空氣的熱量交換方式一、土壤和空氣的熱量交換方式在土壤和空氣中，存在著多種形式的熱量過程。除分子熱傳導(dǎo)、輻射和對流這三種方式外，還存在著平流、亂流和因水的相變而引起的熱量轉(zhuǎn)移形式。這些過程對土壤和空氣層熱狀況的形成起著決定性作用。（一）分子熱傳導(dǎo)（一）分子熱傳導(dǎo)以分子運(yùn)動來傳遞熱量的過程稱為分子熱傳導(dǎo)。在土壤層中，熱量交換是由分子熱傳導(dǎo)形式來完成的。分子

2、熱傳導(dǎo)過程強(qiáng)弱對土壤層內(nèi)熱狀況的形成有著重要意義。但在空氣中，由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，其分子導(dǎo)熱率很小，因而由傳導(dǎo)方式進(jìn)行的熱量轉(zhuǎn)移比其他方式要少得多，在多數(shù)情況下是可忽略不計的。（二）輻射（二）輻射地面和大氣層之間的輻射熱交換是始終存在的。地面一方面吸收太陽輻射和大氣逆輻射，同時也向大氣放出長波輻射。白天當(dāng)?shù)孛嫖盏妮椛涑^放出的熱量時，地面被加熱增溫，并通過輻射或其他方式把熱量傳送到大氣層和土壤下層使之增溫；夜間地面放出的長波輻射超

3、過吸收的大氣逆輻射，結(jié)果使得地面損失熱量，導(dǎo)致地面溫度下降，此時土壤深層和大氣就反過來以各種方式向地面輸送熱量，以維持地表溫度不致下降太多，結(jié)果使得土壤深層和大氣層的溫度也發(fā)生下降。（三）對流（三）對流1、對流的概念、對流的概念空氣在鉛直方向上的大規(guī)模升降運(yùn)動。2、對流的種類、對流的種類對流按產(chǎn)生的原因可分為兩類：（1）熱力對流（自由對流））熱力對流（自由對流）發(fā)生在低層氣溫劇烈增高或高層空氣冷卻時，上下層氣溫差異加大，造成低層空氣密度

4、較小，高層空氣密度較大的不穩(wěn)定狀態(tài)，因而很容易產(chǎn)生對流。（2）動力對流（強(qiáng)迫對流））動力對流（強(qiáng)迫對流）空氣水平流動時遇到山脈等障礙物時被迫抬升或因其它外力作用強(qiáng)迫時發(fā)生的。對流使上下層空氣混合，并發(fā)生熱量交換。對流的空氣升降速度有時可達(dá)10ms以上，高度可達(dá)對流層頂部附近。一般在夏季及午后對流較強(qiáng)，冬季及清晨較弱。（四）平流（四）平流大范圍的空氣水平運(yùn)動稱為平流。冬季大規(guī)模冷空氣南下，可使氣溫急劇下降，在24小時內(nèi)甚至氣溫可下降十幾度

5、；夏季海洋上暖濕空氣北上，可使它影響地區(qū)的氣溫升高。平流是空氣在水平方向熱量轉(zhuǎn)移的重要方式，其結(jié)果可緩和地區(qū)之間、緯度之間的溫度差異。（五）亂流（五）亂流1、亂流的概念、亂流的概念空氣的不規(guī)則運(yùn)動稱為亂流或湍流。亂流是摩擦層空氣運(yùn)動普遍存在的形式。2、亂流的種類、亂流的種類（1）熱力亂流）熱力亂流由于下墊面增熱而使空氣穩(wěn)定性破壞，或不同下墊面受熱不均而產(chǎn)生的熱力亂流。（2）動力亂流）動力亂流由于近地層氣流速度隨高度不同引起各氣層間內(nèi)摩擦

6、，氣流與下墊面摩擦或氣流與各水4.21034.21060.591.4107（二）導(dǎo)熱率（二）導(dǎo)熱率物體內(nèi)部傳導(dǎo)熱量快慢的能力用導(dǎo)熱率（λ）表示。它是指1m深度的土壤，溫差為1℃，1s鐘通過1m2橫截面的熱通量，單位為J（ms℃）。在其他條件相同的情況下，物體的導(dǎo)熱率愈大，其表面溫度的升降也就愈和緩。土壤固體顆粒的導(dǎo)熱率比空氣大幾十倍、甚至一、二百倍，比水也要大幾倍，而水的導(dǎo)熱率又比空氣大三十倍。一般來說，根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)，土壤礦物學(xué)性質(zhì)對于

7、土壤熱力特性的影響是不大的。因此，土壤導(dǎo)熱率主要決定于土壤中空氣和水分含量的多少。隨著土壤濕度的增加，土壤導(dǎo)熱率增大；隨著土壤孔隙度增多，土壤導(dǎo)熱率變小。潮濕而緊實(shí)的土壤導(dǎo)熱率良好，白天地面得熱后能迅速下傳，地面升溫緩慢，夜間地面失熱后，下層熱量迅速上傳補(bǔ)充，土壤降溫也緩慢。干燥而疏松的土壤，增溫和冷卻都將較潮濕而緊實(shí)的土壤劇烈。（三）導(dǎo)溫率（三）導(dǎo)溫率導(dǎo)熱率只表示物體轉(zhuǎn)移熱量快慢的能力，并不能決定溫度的變化。因為溫度的變化除與熱量傳遞

8、速度有關(guān)外，同時還決定于物體的熱容量。為了表示物體溫度的變化速率，用導(dǎo)熱率與熱容量之比作指標(biāo)，并稱為導(dǎo)溫系數(shù)或?qū)芈剩↘）。導(dǎo)溫率（K）：它表示物體傳遞溫度和消除層次間溫度差異的能力。其定義為：單位體積的物體，由于流入（或流出）數(shù)量為λ的熱量后，溫度升高（或降低）的數(shù)值，其單位為m2s（平方米秒）?？捎孟率奖硎荆篕＝λCv在其他條件相同的情況下，物體導(dǎo)溫率大，溫度由物體表面向里或由里向物體表面?zhèn)鞑ビ?，溫度變化所及深度愈深，各深度溫度?/p>

9、異能較快消除。導(dǎo)溫率最大的是靜止的空氣，空氣的導(dǎo)溫率比水大百倍，比土壤固體顆粒大幾十倍。因此，過濕的沼澤土壤，熱力特性極為不好，導(dǎo)溫很差。由導(dǎo)溫率的公式可知，導(dǎo)溫率與導(dǎo)熱率大小成正比，與熱容量成反比。在土壤中，隨土壤濕度增加，導(dǎo)熱率和熱容量都增大，但兩者變化速度是不同的，因此導(dǎo)溫率與土壤濕度的關(guān)系是復(fù)雜的。據(jù)研究，干土起初因濕度上升使導(dǎo)熱率增大的速度超過熱容量增大的速度，故導(dǎo)溫率是增大的，也就是干土變濕的初期，導(dǎo)溫性能變好。但待土壤濕度

10、增至一定程度后，導(dǎo)熱率增大已不顯著，而熱容量仍隨濕度線性上升，反而使導(dǎo)溫率減少了。因此，僅在某一適中的土壤濕度時（據(jù)研究在20－30％時），土壤的導(dǎo)溫性最好，太干或太濕都不好。在近地氣層，空氣不是處于靜止?fàn)顟B(tài)，而是處于亂流狀態(tài)，亂流狀態(tài)下空氣的導(dǎo)溫率（又稱為亂流交換系數(shù)或感熱交換系數(shù)）比土壤空氣分子的導(dǎo)溫率大得多，一般增大幾千上萬倍，有時大3－5個量級（即103105）。所以，在有亂流運(yùn)動的空氣中，只需考慮亂流導(dǎo)溫率，可忽略分子導(dǎo)溫率。