FIZYKA I CHEMIA GLEB. Bilans wodny i cieplny gleb Woda w glebie

Transkrypt

1 FIZYKA I CHEMIA GLEB Bilans wodny i cieplny gleb Woda w glebie

2 Bilans cieplny gleby Równanie bilansu cieplnego Rn G H E = 0 E - energia zużyta na parowanie, H energia oddana drogą konwekcji i turbulencji Rd=Rg - Ra Rn bilans promieniowania Rn = Rs + Ra Ro - Rg Rs E Rs promieniowanie słoneczne H Rg Ro Ra Ra promieniowanie atmosfery E H G wymiana ciepła z glebą Ro promieniowanie odbite od powierzchni Rg promieniowanie od powierzchni czynnej

3 Związek bilansu wodnego z bilansem cieplnym E i H zależą od charakteru powierzchni czynnej H = -ρpcpkh T/ z (energia oddana drogą konwekcji) E = -ρplkv w/ z (energia zużyta na parowanie) T/ z pionowy gradient temperatury w/ z gradient wilgotności ρp gęstość powietrza cp ciepło właściwe powietrza L utajone ciepło parowania KH współczynnik dyfuzyjności ciepła K współczynnik dyfuzyjności pary wodnej

4 Woda w glebie siły oddziaływujące na wodę Siły elektrostatyczne pochodzące od ładunków elektrycznych występujących na powierzchni cząstek gleby )decydują o istnieniu wody molekularnej Siły kapilarne powstają na granicy 3 faz, stałej, ciekłej i gazowej jako efekt działania napięcia powierzchniowego cieczy i zjawisk towarzyszących zwilżaniu (decydują o istnieniu wody kapilarnej)

5 Woda w glebie siły oddziaływujące na wodę Siły osmotyczne występują w wyniku różnic koncentracji roztworów w otoczeniu cząstek gleby, wpływają na kierunek ruchu wody Siły grawitacji ziemskiej powoduje ruch wody w głąb profilu glebowego

6 Postacie wody w glebie Woda w postaci pary wodnej Woda molekularna higroskopowa błonkowata Woda kapilarna właściwa zawieszona (przywierająca) Woda wolna infiltracyjna glebowo-gruntowa

7

8 Woda w postaci pary wodnej Woda ta wchodzi w skład powietrza glebowego zajmującego przestwory. Powietrze glebowe i zawarta w nich woda ciągle wymieniają się z powietrzem atmosferycznym. Przemieszczanie się wody glebowej w postaci pary wodnej charakteryzuje się tym, że nie towarzyszy mu przemieszczanie przemieszczanie się substancji chemicznych

9 Woda molekularna higroskopowa - błonkowata Ilość wody molekularnej zależy od składu Granulometrycznego i chemicznego oraz od Ilości koloidów glebowych i kompleksu sorpcyjnego W obrębie tworzących wokół cząsteczek glebowych możemy wydzielić dwie strefy: Woda higroskopowa warstwa bezpośrednio przylegająca do cząsteczki gleby, utworzona z pary wodnej powietrza glebowego. Jest wodą silnie związaną niedostępną dla roślin (siła wiązania znacznie przekracza siłę ssącą korzeni). Nie porusza się w glebie, nie rozpuszcza soli, nie zamarza (nawet w -78 st C) całkowicie wyparowuje w 105 st C.

10 Woda błonkowata Woda tworząca zewnętrzną warstwę wody molekularnej jest związana siłami molekularnymi przez zewnętrzne warstwy wody higroskopowej Utworzona z zasobów pary wodnej lub wody wolnej i kapilarnej (roślina jedynie częściowo korzysta z tej wody) Woda ta przemieszcza się wskutek wyrównywania potencjałów (od cząsteczek z grubszą warstwą do tych z cieńszą -

11 Wartość maksymalnej higroskopowości

12 Woda kapilarna Na granicy fazy stałej i ciekłej oraz ciekłej i gazowej w kapilarach o średnicy dziesiętnych milimetra, występują siły kapilarne mogą one wciągać i wypychać wodę z kanalików glebowych Możemy wyróżnić: wodę kapilarną zawieszoną (np. z opadów) wodę kapilarną z podsiąku (właściwą)

13 Siły działające na cząsteczkę cieczy na granicy dwóch ośrodków gaz ciecz Czerwona strzałka pokazuje wypadkową siłę, jaką ciecz przyciągałaby molekułę, gdybyśmy chcieli tę molekułę oderwać od powierzchni. Ta wypadkowa siła jest przyczyną NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO gaz ciecz Rozwiązanie istnieje tylko wtedy, gdy ciało stałe Jeśli nie, to ciecz rozpływa się w jednoatomową warstwę (zwilża), albo tworzy kulkę (nie zwilża) W punkcie kontaktu trzech faz mamy trzy siły styczne. Powierzchnie kontaktu utworzą taki kąt, by siły te były w równowadze

14 gaz ciecz ciecz Napięcia powierzchniowe muszą spełniać regułę trójkąta. Jeśli ten warunek nie jest spełniony ciecz (2) rozlewa się w warstwę monocząsteczkową lub tworzy kulkę

15 Rodzaje menisków a) wklęsły (szkło/woda), b) wypukły (szkło/rtęć), c) zdolność podsiąkania (szkło/woda) P = 2σ/d ciśnienie kapilarne H= 4 σ cos α ρw d g H wysokość podsiąku d średnica kapilary α kąt zwilżania σ napięcie powierzchniowe g przyśpieszenie ziemskie ρw gęstość wody Uproszczony wzór do obliczenia wysokości dla gleby: H= 0,3/d

16 Dzięki siłom wzajemnego przyciągania (wiązania, adhezji) cząstek gleby (tworzących kapilary) i cząstek wody tworzy się w kapilarach menisk wklęsły (zjawisko zwilżania)

17 Napięcie powierzchniowe Odrobina mydła. Łódka płynie prosto lub skręca Igła pływająca po wodzie Błona mydlana na ramce w kształcie okręgu Pomiar napięcia powierzchniowego

18 Wysokość podsiąku kapilarnego w kapilarach o średnicy mniejszej jest większa. Prędkość podsiąku wydatnie maleje w kapilarach o mniejszych średnicach, bowiem tam występuje głównie woda błonkowata i higroskopowa Prędkości kapilarnego podnoszenia: Piaski grube 0,12 m d-1 Piaski średnie 0,21 Piaski drobne 0,38 Pyły grube 0,54 Pyły drobne 1,15 Iły pyłowe grube 0,49 0,30 Iły pyłowe drobne 0,14 Iły koloidalne 0,05

19 Przykłady wysokości podsiąku kapilarnego w niektórych frakcjach i utworach glebowych wg Beskowa, Atterberga, Mieczyńskiego

20 Gdy wody zalegają na niewielkiej głębokości wówczas prawie cały niedobór wody może być pokryty przez podsiąkającą wodę 0,0 0,2 0,4 Zasilanie podsiąkiem z poziomu zwierciadła wody gruntowej 0,6 Pobór z zapasów wilgoci glebowej z warstwy ponad zwierciadłem wody gruntowej 0,8 1,0 Poziom wody gruntowej (m) Niedobory opadów No = E - P %

21 Zalety kapilarności Gleby o dużej kapilarności zapewniają roślinom sporo wody dostępnej na transpirację i umożliwiają korzystanie z zapasu wody gruntowej Gleby o małej kapilarności narażone są na przesuszanie(powinno się w nich utrzymywać wyższy poziom wody gruntowej

22 Wady kapilarności Kapilarność sprzyja parowaniu z powierzchni gruntu co traktujemy jako stratę wody, która ponadto obniża temperaturę Gleby o dużej kapilarności skłonne są do zabagnień (wymagają one więc obniżenia poziomu wody gruntowej) W okresie zimowym gdy parowanie jest niskie, woda podnosząc się kapilarami powodować może pogorszenie stanu dróg

23 Pod słabo odwodnioną nawierzchnią dróg zamarzająca woda spowoduje wybrzuszenia nawierzchni i dziury Stopy fundamentowe powinny mieć odpowiednio zaprojektowaną głębokość posadowienia aby chronić przed skutkami podsiąku kapilarnego wysadzina strop unosi się do góry

24 Woda wolna infiltracyjna, gruntowa Wypełnia pory większe od kapilarnych, przemieszcza się pod wpływem sił grawitacji, nie jest związana z cząsteczkami gleby ani siłami molekularnymi i kapilarnymi Występuje jako: woda przesiąkająca (pojawia się po obfitych opadach atmosferycznych woda glebowo-gruntowa