A talaj hőforgalmának modellezése

Az előadások a következő témára: "A talaj hőforgalmának modellezése"— Előadás másolata:

1 A talaj hőforgalmának modellezése

2 A talajalkotórészek hőtani adatai
Anyag Fajhő (J/g C) Sűrűség (g/cm3) Hőkapacitás (J/cm3 C) Víz 4.2 1 Levegő 0.0012 Homok 0.84 2.5952 2.18 Agyag 0.92 2.7173 2.5 Humusz 1.7 1.6 2.72 Jég 2.1 0.8952 1.88

3 A nedves talaj hőkapacitása
ahol: γ : térfogat tömeg (g cm-3) Ntf : nedvesség tartalom (cm3 cm-3) Ltf : levegő tartalom (cm3 cm-3)

4 A talaj hőkapacitása a nedvesség tartalom függvényében

5 A talaj hővezető képessége
Függ: Nedvességtartalom Térfogattömeg Agyagtartalom Kvarctartalom

6 A talaj hővezető képessége a nedvességtartalom függvényében

7 A talaj hőmérséklet-vezető képessége
ahol:  : a talaj hővezető képessége (J cm-1 nap-1 °C-1) Cv : a talaj hőkapacitása (J cm-3 °C-1)

8 A talaj hőmérséklet-vezető képessége a nedvességtartalom függvényében

9 A talajhőmérséklet napi ingadozása Látókép, 2003. 07. 15.

10 A talajhőmérséklet periodikus ingadozása
Napi Éves 60-80cm-es mélység alatt már nincs napi ingadozás. III. VI. XII. IX.

11 A talajhőmérséklet havi középértékei Látókép, 2001-2004

12 A talajhőmérséklet havi középértékei

13 Energiamérleg Rn- Hs- LE - G = 0 ahol: Rn = nettó sugárzás (W m-2)
Hs = szenzibilis hőáram (W m-2) LE = látens hőáram (W m-2) G = talaj hőáram (W m-2)

14 Hősugárzás Rn = (1 - Albedó)*GRAD + LD - LU ahol:
Albedó = a felszín rövidhullámú sugárzás visszaverő képessége (-) GRAD = golbálsugárzás (W m-2) LD = a felszínre érkező hosszúhullámú sugárzás (W m-2) LU = a felszín által kibocsátott hosszúhullámú sugárzás (W m-2) A Nap energiája, közvetítő közeg nélkül, hősugárzás útján kerül a Földre (MJ m-2 d-1). A nettó sugárzási energia:

15 Felszínre érkező hosszúhullámú sugárzás LD (W m-2)
LD=σ(Ta+273)4(0,605+0,048(1370HA)0,5) ahol: σ = Stefan-Boltzmann állandó ( W °K-4 m-2) Ta = levegő hőmérséklete (°C) HA = levegő páratartalma (kg m-3) Stefan-Boltzmann állandó: 5,67E-08

16 A felszín által kibocsátott hosszúhullámú sugárzás LU (W m-2)
LU = εσ(Ts + 273)4 ahol: ε = talaj emisszivitás σ = Stefan-Boltzmann állandó ( W °K-4 m-2) Ts = talaj hőmérséklete (°C)

17 A talaj lehűlése (hősugárzás)
ahol: 1 : az A1 felület sugárzási tényezője hősugárzás, a hőmérséklet 4. hatványával arányos ha A2>>A1

18 Hőátadás  = Q/t =  A T ahol:  : átadott hő (W) Q : hőmennyiség (J)
t : idő (s)  : hőátadási tényező (W m-2 °C-1) A : felület (m2) T . hőmérsékletkülönbség (°C) Hőátadás (folyadék vagy gáz és az őt körülvevő szilárd közeg között játszódik le, pl. meleg levegő és talajfelszín) J/cm2C (függ a két test hőmérsékletének különbségétől és az érintkező felületek anyagi minőségétől).

19 Hővezetés ahol: Qq : hőmennyiség (J)
Kq : hővezetési tényező (W m-1 °C-1) A : felület (m2) t : idő (s) T . hőmérsékletkülönbség (°C) z : hosszúság (m) A talaj hővezetése, molekuláról molekulára terjedő hőenergia átadása, úgy hogy az anyag részecskéi a helyükön maradnak. Az áramló hőenergia mennyisége Qq egyenlő a hővezető képesség Kq, a felület A, az idő t és a hőmérsékleti gradiens szorzatával.

20 Szenzibilis hőáram Hs (Wm-2)
Hs = (Ts – Ta)Ca/ra ahol: Ts = talaj hőmérséklete (°C) Ta = levegő hőmérséklete (°C) Ca = a levegő hőkapacitása (J m-3 C-1) ra = a határréteg aerodinamikai ellenállása (s m-1)

21 Látens hőáram LE (W m-2) LE = L x E ahol:
L = a víz párolgáshője (2,4 MJ kg-1) E = páraáramlás (kg m-2 s-1) E = páraáramlás, 1m2 talajfelszínről egy másodperc alatt távozó vízgőz tömege.

22 Talaj hőáram G (Wm-2) Forrás: Chung és Horton, 1987
Lambda a talaj hővezető képessége (W m-1 °C-1). A talaj hőmérsékleti gradiense. Az Rn, LE, Hs és G az ismeretlen talajfelszín függvénye. Ts = a talajfelszín hőmérséklete az aktuális időpontban. T1 = a talajfelszín hőmérséklete az előző időpontban. T2 = a második réteg hőmérséklete az előző időpontban. Δz = függőleges térbeli lépték (m) C = a talajfelszín hőkapacitása Δt = időlépték (s) Forrás: Chung és Horton, 1987

23 Hőáramlási modell ahol: C : a talaj hőkapacitása (J m-3 °C-1)
T : talajhőmérséklet (°C) λ : hővezetési tényező (W m-1 °C-1) δt : időlépték (s) δz : függőleges térbeli lépték (m)