土壤物理与冲蚀Lecture8土壤温度与热之流动(Soi课件.ppt

1、土壤物理與沖蝕Lecture 8 土壤溫度與熱之流動(Soil Temperature and Heat Flow)Soil Physics&Erosion:Lecture 82土壤物理HY460土壤沖蝕固相流相一般土壤物理特性質地、粒徑分佈與比表面積黏粒之性質及行為土壤構造與團粒化作用土壤水分：含量與勢能水之性質與多孔體之關係通氣性與熱之流動通論影響因素估算緒論分類、過程與機制水土地表覆蓋地形土壤流失量Soil Physics&Erosion:Lecture 83緒論土壤溫度為了反映經過土壤表層所發生之輻射能、熱能及潛能交換過程之變化而變異。此類現象的效應，以複雜系列的輸送過程，傳播深入土壤

2、剖面中，其速率受因時空變異的土壤性質之影響。土壤溫度數值及其隨時空變化之方式，都是決定能量及質量與大氣交換速率與方向的主要因子。溫度能控制發生於土壤中的化學反應類型及速率。土壤溫度強烈地影響生物過程，諸如萌芽，抽苗，生長，發根及微生物之活力等。Soil Physics&Erosion:Lecture 84能量轉移方式 三個能量轉移方式：輻射、對流及傳導：輻射（Radiation）係指從高於0K 物體，以類似電磁波形式放出能量。根據Stephan-Bo1tzmann定律，物體放出所有波長之總能量Jt與物體表面絕對溫度T之四次方成正比：為常數及放射係數(Emissivity coefficient

3、)，完全放射體(Perfect emitter)之數值為1（黑體）。4TJtSoil Physics&Erosion:Lecture 85能量轉移 一般土壤表面溫度在 30O K 上下，所放出之輻射線頂峯強度約在10m波長，其波長分佈在 3-50m範圍內，為紅外線(Infrared)或熱輻射領域。另一光譜是由太陽所輻射，一如黑體其表面溫度約為6000 k。太陽輻射含0.3-0.7m之可見光，較大波長(高至3m)之紅外線輻射及紫外線輻射（0.3m），前者稱為地球放出光譜長波輻射，而後者稱為收入太陽光譜短波輻射。次一能量轉移方式稱為對流（Convection），包含載熱質量之移動，一如海洋中水流或

4、大氣中風一樣。較與土壤物理學有關的實例可能是熱廢水（來自發電廠）滲入原是冷的土壤中。Soil Physics&Erosion:Lecture 86能量轉移第三種能量移動方式是傳導（Conduction），乃物體以內部分子運動方式傳播熱量，由於溫度乃表示物體分子動能，物體中如有溫度差存在，將促使動能以快速運動分子無數次碰撞方式，從物體較熱區域轉移至附近較冷區域之分子。有一綜合現象可視為第四種方式，即潛熱轉移(Latent heat transfer)，如蒸餾(Distillation)過程，包括吸熱之蒸發期，隨之以蒸汽的擴散運動，最後是放熱之凝結期。土壤表面之熱轉移可以上述機制發生。土壤內主要的

5、熱輸送過程是以分子傳導方式行之，輻射、對流及蒸餾為次要的熱轉移形式。Soil Physics&Erosion:Lecture 87裸露土壤中能量平衡 裸露土壤表面輻射平衡(van Bave1 and Hi11e1，1976)：Jn為淨輻射(Net radiation)，即所有吸入輻射能之和減去放出輻射能之和Js 為自太陽收入短波輻射能流束Ja 為自大氣天空收入短波輻射能流束Jli 自天空收入長波輻射能流束，而 Jle 為自土壤放出之長波輻射能流束為反射率（Albedo）或反射係數（Reflectivity coefficient），乃收入短波輻射被土壤表面反射之分率。leliasnJJJJJ1

6、Soil Physics&Erosion:Lecture 88裸露土壤能量平衡 土壤接受之淨輻射被轉變為熱，提高土壤與空氣溫度並汽化水分，表面能量平衡可寫如下式：S為土壤熱量流束（表面向下之熱量傳送速率）A為自表面放入空氣中“有感(Sensible)”熱量流束LE為蒸發熱量流束，乃蒸發率E與單位蒸發水量潛能 L之乘積。總表面能量平衡公式為:習慣上，如方向朝下，則所有能量平衝中各部分能量均取正值，否則應為負值。LEASJn01LEASJJaJJleliasSoil Physics&Erosion:Lecture 89土壤中之熱傳導 熱傳導第一定律(Fourier 定律)：物體中熱量流束方向與溫度

7、梯度一致，且與之成正比：qh為熱量流束（Thermal flux），即單位時間內通過單位橫切面積傳導之熱量，以 cal/cm2sec 表示 K為熱傳導度（Thermal Conductivity），單位為 cal/cm k sec T 為溫度之空間梯度，以 K/cm 示之如熱量流束為 watts/m，而梯度為 K/m，則熱傳導度設定為 watts/m k。TKqhSoil Physics&Erosion:Lecture 810土壤熱傳導 若考慮非穩定狀態或遷移狀態，需用第二定律(類似 Fick 擴散第二定律）：在無熱來源及無熱消失情況下，傳導媒體（土壤）體積單元中熱含量之時間變率必須等於隨距離

8、而變之流束變化 為質量密度，及 Cm 為單位質量之比熱容量（比熱，單位溫度變化物體單位質量熱含量之變化）。其乘積 Cm（常設為 C）為單位體積之比熱容量 為溫度之時間變率tT /hmqtTc/Soil Physics&Erosion:Lecture 811土壤熱傳導 聯合前二式，可得熱傳導第二定律（Second 1aw of Heat Conduction）：熱傳導度 K 與體積熱容量 C（=Cm）之比值稱為熱擴散度(Therma1 diffusivity)設定為DT，因之 特殊情形下，DT 可視為定值，故上式可寫做：解此式以可得隨時間及空間而變異之溫度描述，但需知相關三個參數數值，即體積熱容

9、量C，熱傳導度K及熱擴散度DT，三者統稱為土壤的熱性質(Thermal properties)。TKtTcm/CKDT/22xTDtTTSoil Physics&Erosion:Lecture 812土壤之體積熱容量 土壤之體積熱容量C(Volumetric heat capacity)，定義為單位溫度變化單位土壤體積之熱含量。它的單位是cal/cm3或J/M3K。因之，C 視土壤固相成分（礦物及有機組成），容積密度及土壤之濕度而定 Soil Physics&Erosion:Lecture 813土壤之熱傳導度 熱傳導度K(Thermal Conductivity)，為於單位溫度梯度(Temperature gradient)之情況下，單位時間內通過單位面積所傳送之熱量。因它的礦物成分及有機物含量而異，同時也視水分及空氣體積分率而定。由於空氣之熱傳導度還較之水分及固體物為低，高空氣含量低水分含量相對應為低的熱傳導度。Soil Physics&Erosion:Lecture 814Soil Physics&Erosion:Lecture 815Soil Physics&Erosion:Lecture 816