Не пропустите осеннюю обработку сада от вредителей и болезней! рассказываем, как это сделать

Температура почвы на глубине 10 см. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России

Г. П. Васильев , научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В
отличие от «прямого» использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальных
ресурсов) использование грунта поверхностных слоев Земли как источника
низкопотенциальной тепловой энергии для геотермальных теплонасосных систем
теплоснабжения (ГТСТ) возможно практически повсеместно. В настоящее время в
мире это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования
нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Грунт поверхностных слоев Земли фактически является тепловым
аккумулятором неограниченной мощности. Тепловой режим грунта формируется под
действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и
потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения
интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают
колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных
колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной
радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется
в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина
проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности
падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15–20 м.

Тепловой режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины
(«нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии,
поступающей из недр Земли и практически не зависит от сезонных, а тем более
суточных изменений параметров наружного климата (рис. 1). С увеличением глубины
температура грунта также увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом
(примерно 3 °С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла,
поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Как правило,
эта величина составляет 0,05–0,12 Вт/м2.

При эксплуатации ГТСТ грунтовый массив, находящийся в пределах
зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника системы сбора
низкопотенциального тепла грунта (системы теплосбора), вследствие сезонного
изменения параметров наружного климата, а также под воздействием
эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается
многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит
изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся
в общем случае как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно.
При этом в капиллярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив
системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное
влияние на процесс распространения тепла. Корректный учет этого влияния на
сегодняшний день сопряжен со значительными трудностями, которые, прежде всего,
связаны с отсутствием четких представлений о характере распределения твердой,
жидкой и газообразной фаз влаги в той или иной структуре системы. При наличии в
толще грунтового массива температурного градиента молекулы водяного пара
перемещаются к местам, имеющим пониженный температурный потенциал, но в то же
время под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный
поток влаги в жидкой фазе. Кроме этого, на температурный режим верхних слоев
грунта оказывает влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды.

Нагревание и охлаждение водоемов

Вода,
в отличие от почвы, для прямой и рассеянной
солнечной радиации является прозрачным
телом, и потому коротковолновая лучистая
энергия проникает в воду на довольно
значительную глубину (в зависимости от
прозрачности воды от 10 до 100 м), и
радиационное нагревание их происходит
в слое воды толщиной несколько метров.

Второе
отличие состоит в том, что объемная
теплоемкость воды приблизительно в 2
разы больше теплоемкости почвы, и по
этой причине для достижения ими одной
и той же температуры вода должна получить
больше тепла, чем почва. Если же к воде
и к почве поступает одинаковое количество
тепла, или же они отдают одинаковое
количество тепла, то температура воды
изменится на меньшую величину, чем
температура почвы.

В-третьих,
в почве тепло передается по вертикали
путем молекулярной теплопроводности,
а в легко движущейся воде передача тепла
по вертикали осуществляется в результате
более активного процесса — турбулентного
перемешивания слоев воды, из-за чего
происходит интенсивный обмен
физико-химических свойств между этими
слоями. Турбулентность в водоемах
обусловлена волнением и разными
скоростями течений водных масс, а также
термической конвекцией, а в морях —
конвекцией, вызванной разностью солености
водных слоев. Турбулентное перемешивание
в водоемах предопределяет:

  1. перенесение
    тепла вглубь водоемов в 1000-10000 раз
    больше, чем перенесение его в почве;

  2. быстрое
    выравнивание температур между слоями
    воды;

  3. нагревание
    и охлаждение водных бассейнов до
    значительно больших глубин;

  4. более
    медленное, чем в почве, изменение
    температуры поверхности водоемов, и
    на величину меньшую, чем изменение
    температуры на поверхности почвы.

Поверхностный
слой воды, как и почвы, хорошо поглощает
инфракрасную радиацию. Условия поглощения
и отображения длинноволновой радиации
в водных бассейнах и в почве отличаются
мало. Иначе отстоит дело с коротковолновой
радиацией. Короткие волны, в особенности
фиолетовые и ультрафиолетовые, проникают
в воду на довольно значительную глубину
и радиационное нагревание происходит
в слое воды толщиной несколько метров.

Расхождения
теплового режима водоемов и почв
вызываются следующими причинами:


теплоемкость воды в 3-4 раза больше
теплоемкости почвы. Поэтому, для
одинакового их нагревания вода должна
получить больше тепло, чем почва. Если
к воде и к почве поступит одинаковое
количество тепла, то температура воды
измениться меньше;

— частицы воды
имеют большую подвижность. Поэтому, в
водоемах передача тепла внутрь воды
происходит не путем молекулярной
теплопроводности, как в почве, а в
результате более интенсивного процесса
– турбулентного перемешивания.

Между
поверхностными и нижележащими слоями
почвы и воды постоянно происходит
теплообмен. Поток тепла в почве или
водоеме приблизительно выражается
формулой:

,

где
t2
и t1
температура на глубинах z1
и z2;

λ – коэффициент
теплопроводности.

В
системе СИ поток тепла выражается в
Вт/м2.

Тепловой поток

Тепло постоянно течет от своих источников на Земле к поверхности. Общие потери тепла с Земли оцениваются в 44,2 ТВт ( 4,42 × 10 13 Вт ). Средний тепловой поток составляет 65 мВт / м 2 над континентальной корой и 101 мВт / м 2 над океанической корой . Это в среднем 0,087 ватт / квадратный метр (0,03 процента солнечной энергии, поглощаемой Землей), но гораздо больше сосредоточено в областях с тонкой литосферой, например, вдоль срединно-океанических хребтов (где создается новая океаническая литосфера) и вблизи мантийные плюмы .
Земная кора эффективно действует как толстое изолирующее одеяло, которое необходимо пронизывать жидкостными каналами (магмы, воды или других), чтобы высвободить тепло под ней. Большая часть тепла на Земле теряется из-за тектоники плит, из-за подъема мантии, связанного со срединно-океаническими хребтами. Другой основной способ потери тепла — это теплопроводность через литосферу , большая часть которой происходит в океанах из-за того, что кора там намного тоньше и моложе, чем под континентами.

Тепло Земли восполняется за счет радиоактивного распада в размере 30 ТВт. Мировой расход геотермальной энергии более чем в два раза превышает уровень потребления энергии человеком из всех первичных источников. Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обрабатываются Международной комиссией по тепловому потоку (IHFC) / IUGG .

45 самых благоприятных дней для уборки свеклы и моркови в 2021 году

Учеными уже давно доказано, что Луна, являющаяся единственным спутником Земли (причем с довольно приличной массой), оказывает сильное влияние на рост и развитие растительных организмов. Это связано со способностью небесного тела притягивать к себе жидкости, имеющиеся на нашей планете.

Выбирая конкретную дату, когда выкапывать свеклу и морковь, придется учитывать и лунный календарь

Если извлечь корнеплоды из земли в неправильный день, то растения могут оказаться к этому неготовыми, не наберут достаточно влаги и храниться будут неважно

Когда Луна находится в фазе убывания, растительные соки устремляются вниз, к корнеплодам. Поэтому урожай, собранный в этот период, получается сочным, вкусным, да и лежкость продемонстрирует максимальную. Самыми благоприятными днями для уборки свеклы и моркови в текущем 2021 году будут:

  • 1-6 сентября;
  • 22-30 сентября;
  • 1-5 октября;
  • 21-31 октября;
  • 1-14 ноября.

Примечание: Опытные овощеводы не советуют планировать уборочные мероприятия на пиковые лунные фазы: новолуние и полнолуние. В это время лучше не беспокоить растения.

Читайте: когда и как убирать чеснок с грядки

Источник тепла и распределение по слоям планеты

Средняя температура на планете Земля составляет 14,8ºС. По мере удаления от поверхности вглубь коры температура постепенно поднимается. Темп роста равен 3°С на каждые 100 метров. Это значение верно для любого региона, кроме нескольких аномальных зон.

Рекорд принадлежит участку на территории США, где на протяжении 1000 м изменение температуры составляет 100°С. Антирекорд установлен в Южной Африке. Там на аналогичной протяженности перепад не превышает 6°С.

После рубежа в 20 км скорость роста температуры замедляется.

Основным источником тепла для земной поверхности является солнечное излучение. Его средняя мощность, достигающая нашей планеты, равна 341 Вт/кв. м.

Кроме этого, существуют внутренние факторы, разогревающие глубокие слои. В их число входят:

  • распад изотопов;
  • тектонические процессы, идущие в мантии;
  • дифференциация вещества, вызванная воздействием гравитации;
  • фазовые и химические превращения;
  • приливное трение, связанное с воздействием Луны.

Температура внутренних частей Земли. Credit: infourok.ru

Их влияние на поверхность планеты несущественно. Мощность, достигающая ее, не превышает 0,03 — 0,05 Вт/ кв. м.

Вариации

Геотермический градиент меняется в зависимости от местоположения и обычно измеряется путем определения температуры в открытом стволе скважины после бурения скважины. Однако на термограммы, полученные сразу после бурения, влияет циркуляция бурового раствора. Для получения точных оценок забойной температуры необходимо, чтобы скважина достигла стабильной температуры. Это не всегда возможно по практическим причинам.

В стабильных тектонических областях в тропиках график зависимости температуры от глубины будет сходиться к среднегодовой температуре поверхности. Однако в районах, где в плейстоцене возникла глубокая вечная мерзлота, можно наблюдать аномалию низкой температуры, которая сохраняется на глубине до нескольких сотен метров. Сувалки аномалии холод в Польше привел к признанию того, что подобные тепловым возмущения , связанные с Pleistocene- голоценовых климатических изменений фиксируются в буровых скважин по всей Польше, а также на Аляске , на севере Канады и Сибири .

В областях поднятия и эрозии голоцена (рис. 1) неглубокий градиент будет высоким, пока не достигнет точки (обозначенной на рисунке «точка перегиба»), где он достигнет режима стабилизированного теплового потока. Если градиент стабилизированного режима спроектирован выше этой точки до его пересечения с современной среднегодовой температурой, высота этого пересечения над уровнем современной поверхности дает меру степени поднятия и эрозии голоцена. В областях погружения и отложения голоцена (рис. 2) начальный градиент будет ниже среднего, пока не достигнет точки, где он вступит в стабилизированный режим теплового потока.

Колебания температуры поверхности, будь то суточные, сезонные или вызванные изменениями климата и циклом Миланковича , проникают под поверхность Земли и вызывают колебания геотермического градиента с периодами от суток до десятков тысяч лет и амплитудой, которая уменьшается с глубиной. Наиболее длиннопериодические вариации имеют масштабную глубину в несколько километров. Талая вода из полярных ледяных шапок, текущих по дну океана, имеет тенденцию поддерживать постоянный геотермический градиент по всей поверхности Земли.

Если бы скорость повышения температуры с увеличением глубины, наблюдаемая в неглубоких скважинах, сохранялась на больших глубинах, температуры глубоко внутри Земли вскоре достигли бы точки, при которой породы плавятся. Однако мы знаем, что мантия Земли тверда из-за передачи S-волн . Температурный градиент резко уменьшается с глубиной по двум причинам. Во-первых, механизм переноса тепла меняется от теплопроводности , как в твердых тектонических плитах, к конвекции в той части мантии Земли, которая конвектирует. Несмотря на свою твердость , большая часть мантии Земли в течение длительного времени ведет себя как жидкость , а тепло переносится адвекцией или переносом материала. Во-вторых, производство радиоактивного тепла сконцентрировано в земной коре, и особенно в верхней части земной коры, поскольку там самые высокие концентрации урана , тория и калия : эти три элемента являются основными производителями радиоактивного тепла на Земле. . Таким образом, геотермический градиент в толще мантии Земли составляет порядка 0,5 кельвина на километр и определяется адиабатическим градиентом, связанным с материалом мантии ( перидотит в верхней мантии).

Когда 100% можно выкапывать корнеплоды

Заранее точно определить сроки уборки свеклы и моркови невозможно. Выбирая время для проведения уборочных работ, следует ориентироваться по нескольким важным факторам.

  • По прогнозу, даваемому синоптиками на ближайшие 2-3 недели, — ожидается ли дождливая пора. Нельзя допускать, чтобы овощи долго находились в мокрой и сырой земле. Корнеплоды сильно напитываются влагой и растрескиваются от ее переизбытка, становятся чересчур хрупкими, поэтому при выкопке травмируются гораздо легче. Хранится такой урожай, естественно, очень плохо.
  • По погоде. На улице стало достаточно холодно, воздух уже остыл до +4…+8 °С. Уберите овощи с грядки до наступления серьезных холодов, ведь подмороженные корнеплоды для хранения уже непригодны. Хотя морковь отличается более высокой холодостойкостью, она способна перенести несколько утренних заморозков, когда температура опускается до -2 °С. Мало того, она даже становится слаще. Свекла же не выдерживает и слабого подмораживания.
  • По состоянию ботвы. Нижние листья, находящиеся ближе всех к земле, повяли и пожелтели. Это значит, что в ботве фотосинтез замедляется и начинается отмирание становящейся ненужной надземной части. Однако в некоторых случаях изменение цвета листвы может быть связано с дефицитом влаги или заболеваниями растений (в каждом конкретном случае нужно разбираться отдельно).
  • По изменению внешнего вида корнеплодов (появляется визуально видимое подтверждение спелости). У моркови, если выдернуть из почвы сигнальный экземпляр, начинают образовываться тоненькие нитеобразные корешки — это признак зрелости, дольше держать корнеплод в земле не стоит. Для свеклы характерны другие симптомы: на верхней части, выступающей из грунта, появляются небольшие выпуклые бугорки, свидетельствующие о достижении нужного уровня спелости.

Примечание: Активный набор питательных веществ у моркови происходит при +6…+8 °С, у свеклы температурный диапазон для набора полезных компонентов больше — +5…+15 °С.

Торопиться и слишком рано извлекать из земли корнеплоды нельзя, ведь они еще не доросли до нужной кондиции, а также не набрали необходимого количества питательных веществ и витаминов. Но и запаздывать с уборкой тоже не стоит, потому как если погода долго стоит хорошая, уже зрелые овощи продолжают расти (однако лучше при этом не становятся, только хуже).

Когда торчащая из земли часть (а это обязательно происходит) превышает все разумные размеры, соответствующие сортовым характеристикам, то лучше не затягивать с выкопкой. Слишком крупная переросшая свекла становится грубой и невкусной. К тому же внутри овоща образуются воздушные полости. У моркови сердцевина деревенеет и делается практически несъедобной.

Поскольку осеннее похолодание в разные регионы нашей необъятной родины приходит в различное время, то и сроки уборки корнеплодов тоже отличаются. Рассмотрим в таблице более подробно, когда пора приступать к уборке свеклы и моркови в зависимости от места их произрастания (время примерное, ориентируйтесь на многие факторы).

Свекла и морковь Украина и Юг России Беларусь Средняя Полоса России (включая Подмосковье) Ленинградская область и Север Сибирь и Урал
Когда убирать С середины октября до первых дней ноября Вторая половина октября Конец сентября — начало октября С начала и до середины сентября Вторая половина сентября

Примечание: ориентируйтесь также на то, какой сорт свеклы или моркови посажен (ранний, среднеспелый, поздний). В нашей статье ориентация идет на максимально поздние для каждого региона сорта (так как именно они самые сочные, полезные, вкусные и лежкие для хранения на зиму).

Как определить температуру почвы по температуре воздуха. Расчёт температуры грунта на заданной глубине

Часто при проектированиидля моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.

Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.

Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:

  1. Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.

Таблица 1

  1. Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР

Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:

Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:

Можно конечно попробовать рассчитать температуру грунта, например, по методике, изложенной в книге С.Н.Шорин «Теплопередача» М.1952. На стр.115. Но такой расчёт весьма сложный и не всегда оправдан.

Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.

Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.

Особенности сезонного промерзания

Грунт, в котором полностью или частично замёрзла вода, и который при этом имеет нулевую или отрицательную температуру, считается мёрзлым. Верхние слои, замерзающие каждый год, а затем оттаивающие, называются сезонно-мёрзлыми, или деятельными. Замёрзшие грунты, которые залегают глубже этих слоев, и не оттаивают никогда, являются вечномёрзлыми.

Как меняются свойства грунтов при замерзании и оттаивании

Деятельные (промерзающие) слои грунта, систематически пребывают в четырёх разных фазах. Сначала это минеральные частицы, затем лёд, потом вода — и последняя стадия: газ.

И вот какими критериями характеризуется данная система:

  • Удельный вес твёрдых частиц минерального происхождения
  • Объёмный вес – имеется в виду ненарушенная структура грунта
  • Суммарная влажность
  • Пропорциональное количество воды (незамёрзшей), по отношению к весу грунта, пребывающего в сухом состоянии.

При проведении исследований, эти величины определяют опытным путём.

Использование этих данных позволяет вычислить и другие свойства грунта, а так же выяснить содержание в нём отдельных компонентов:

  • Температура, при которой почва начинает промерзать, неодинакова. Например: водонасыщенные суглинки и супеси, а так же гравелистые и песчаные грунты, замерзают при нулевой температуре. Для глин и суглинков, находящихся в пластичном состоянии, требуется -0,3 градуса. Твёрдые глины замерзают при более низкой температуре -1 градус.
  • Понятно, что процесс промерзания связан с переохлаждением воды, имеющейся в грунте. При кристаллизации влаги, в результате скрытого выделения тепла, её температура сначала резко возрастает. В дальнейшем, процесс продолжается уже при незначительно снижающейся, либо постоянной температуре. Какая-то часть воды, заключённая в поры грунта, и вовсе остаётся незамёрзшей.

Вспучивание грунта иногда видно даже на поверхности

https://youtube.com/watch?v=lgAJHgBSgdA

  • При замерзании воды, твёрдые частицы грунта цементируются между собой — а вот степень цементации может быть разной. Незначительно цементируемые грунты называют сыпучими; если в них содержится незамёрзшая вода – пластичными; ну а если вода полностью превратилась в лёд – твёрдыми.
  • Интенсивность промерзания так же оказывает своё влияние на структуру грунта. При многостороннем промерзании грунтов, насыщенных водой, их структура получается ячеистой. При постоянной подпитке воды, а соответственно, одностороннем промерзании, грунт становится слоистым.
  • Ну а если скорость промерзания превосходит скорость превращения воды в кристаллы, образуется твёрдая монолитная текстура. Именно этот вид грунтов обладает наибольшей прочностью, будучи мёрзлым, и сохраняет это непревзойдённое качество при оттаивании. У слоистых и ячеистых структур, при оттаивании  прочность резко значительно снижается – причём, она становится ниже, чем до замерзания.

Деформация фундамента вследствие морозного пучения

В деятельном слое грунта, влага, которая осталась незамёрзшей, движется к промерзающему фронту. Именно это и способствует увеличению объёма в верхних слоях, и соответственно, провоцирует морозное пучение. Это явление и является основной головной болью для строителей.

Раз грунт пучит, а затем он даёт осадку, то расположенные в нём конструкции  подвергаются воздействию определённых сил, и могут деформироваться

Именно поэтому, при устройстве фундаментов так важно ориентироваться на УПГ, и закладывать их подошву ниже границы промерзающего слоя

Об этом мы ещё поговорим более подробно, а пока рассмотрим, как осуществляется разработка грунта в зимнее время.

Прямое приложение

Тепло из недр Земли можно использовать в качестве источника энергии, известного как геотермальная энергия . Геотермальный градиент использовался для обогрева помещений и купания с древнеримских времен, а с недавних пор — для выработки электроэнергии. По мере того, как население продолжает расти, растет и потребление энергии, и соответствующие воздействия на окружающую среду, которые согласуются с глобальными первичными источниками энергии. Это вызвало растущий интерес к поиску возобновляемых источников энергии, которые позволили бы сократить выбросы парниковых газов. В районах с высокой плотностью геотермальной энергии современные технологии позволяют вырабатывать электроэнергию из-за соответствующих высоких температур. Для выработки электроэнергии из геотермальных ресурсов не требуется топлива, при этом обеспечивается истинная энергия базовой нагрузки со степенью надежности, которая постоянно превышает 90%. Для извлечения геотермальной энергии необходимо эффективно передавать тепло от геотермального резервуара к электростанции, где электрическая энергия преобразуется из тепла путем пропускания пара через турбину, соединенную с генератором. Эффективность преобразования геотермального тепла в электричество зависит от разницы температур между нагретой жидкостью (вода или пар) и температурой окружающей среды, поэтому выгодно использовать глубокие высокотемпературные источники тепла. В мировом масштабе тепло, хранящееся в недрах Земли, обеспечивает энергию, которая до сих пор считается экзотическим источником. По состоянию на 2007 год в мире установлено около 10 ГВт геотермальных электрических мощностей, что составляет 0,3% мирового спроса на электроэнергию. Дополнительные 28 ГВт мощности прямого геотермального отопления установлены для централизованного теплоснабжения, отопления помещений, спа, промышленных процессов, опреснения и сельскохозяйственных приложений.

Как происходит вычисление

Под средней температурой поверхности земли понимают значение, вычисленное на основе сложения данных со всего земного шара и деления на количество точек, в которых проводилось измерение. Колебания в зависимости от времени года не превышают 2°С.

Среднегодовая температура приземного воздуха на поверхности Земли равна +14°С. Credit: studfiles.net

Отмечено, что среднегодовая температура постепенно увеличивается. Однако это изменение находится в пределах десятых долей градуса.

На земле существует пояс, на протяжении которого температура остается неизменной в течение всего года. Он проходит в земной коре. Глубина его расположения зависит от широты и составляет:

  • 5 м в тропиках;
  • 30 м возле полюсов.