Неизотермический воздухообмен в почве

• Автор: Мясников, Николай Григорьевич
• Шифр специальности: 06.01.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 80 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение

Глава 1. Газообмен и воздухообмен в системе почва-атмосфера

1.1. Анализ основных причин воздухо- и газообмена в почве

1.2. Кнудсеновские газопотоки в микрокапилярах почвогрунтов

1.3. Построение общей модели нейзотермического воздухообмена

в почве.

Глава 2. Методы исследования неизотермического воздухообмена в почве

2.1. Теоретическая оценка массопотоков воздуха в неизотермической 19-25 твердой фазе почвогрунтов.

2.2. Методы исследования микро - и макро проницаемости почвы

2.3. Метод определения проницаемости пористых материалов и
перспективы его использования
2.4. Экспериментальные исследования неизотермического воздухообмена 32-39 в почве.
Г лава 3. Роль почвы в изменении состава атмосферы с учетом ее
неизотермичности.
3.1. Расчет соотношений для потока газов в почвенном слое при
неоднородном температурном поле.
3.2. Оценка скорости обмена атмосферного и почвенного воздуха
на основе предложенной модели неизотермйческого. воздухообмена.
3.3. Анализ влияния температурных волн на неизотермический
воздухообмен в почве.
Глава 4. Лазерный метод определения газового состава приземного слоя
воздуха.
4.1. Теоретическая оценка чувствительности лидаров резонансного
поглощения для контроля концентрации газов в приземном слое
воздуха на трассах различной протяженности.
4.2. Анализ возможных источников погрешностей в атмосферном канале
4.3. Структурное построение лазерной измерительной системы
Заключение
Список литературы

Введение.
Широкое внедрение интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур требует существенно отличного научного обеспечения, характеризующегося, в частности, более глубокой интеграцией основных фундаментальных направлений агрометеорологии, агрофизики, почвоведения. К настоящему времени сформировалось устойчивое мнение, что совершенство научно-методического обеспечения на этапах вегетации агроценозов в определяющей степени зависит от полноты информации о процессах, происходящих в системе почва - растение - атмосфера. В связи с этим более детального изучения и системного контроля требует приземный слой воздуха, в котором происходят основные жизнеобеспечивающие Процессы фотосинтеза дыхания и транспирации. Явно прослеживается тенденция возрастающего внимания к газовой фазе почв, объясняющаяся тем, что «в настоящее время аэрация почв стала основным лимитирующим фактором повышения урожая сельскохозяйственных культур.
Появление довольно обширных по объему и глубине исследований, в основном экспериментального характера, объяснение и понимание которых затруднено или невозможно в рамках общепринятых представлений, свидетельствует о том, что процессы, происходящие в газовой фазе почв, изучены далеко не полностью и нуждаются как в дальнейших уточнениях, так и в остановке принципиальных вопросов. [D.Hillel.Environmental Soil Physics, 1998, New Vork; Д.Роуэлл. Почвоведение. Методы и их применение. Колос, Москва, 1998, 486 стр.] И здесь ведущую роль призвано сыграть развитие физических идей и методов, как основополагающих, на базе которых могут развиваться химико-биологические представления о газовых процессах и их кинетике в системе почва - растение - атмосфера.
Сравнительный анализ публикаций по проблемам газовой и жидкой фазы почвы, свидетельствует все же о приоритетном внимании к последней, хотя, понятно, гидрофизические и газодинамические процессы взаимосвязаны. Есть основания утверждать, что аэрация почвы зависит от ее влажности и повышение второго фактора, зачастую, антагонистически влияет на первый. Такое положение выдвигает актуальную проблему оптимизации водно-воздушного режима почвы, которая может быть решена на основе создания адекватных физико-математических моделей.
Вопросы воздухо- и газообмена в почве представляют не только агрофизический интерес, они тесно сопряжены и с экологическими проблемами. Известная роль почвы как

глобального источника и стока газов, по существу являющейся гигантским фильтром атмосферы, так что экологические модели должны включить процессы, увязанные с дополнительными физическими представлениями о механизмах воздухообмена.
В настоящей работе центральная идея связана с соображениями о наличии ранее не рассматриваемого механизма газопереноса в почве, обусловленного органически присущей ей неизотермичностыо, который при определенных условиях может иметь существенное и даже определяющее значение. Предпринята попытка последовательно обосновать новый фактор газотечения в почве, привлекая общефизические соображения, термодинамику необратимых процессов и молекулярно-кинетическую теорию в сочетании с экспериментальными исследованиями на модельных и натуральных почвенных образцах. Обсуждаются такие близкие, по рассматриваемой, в целом, проблеме, вопросы, связанные с контролем динамики концентраций прйпочвенного слоя воздуха на основе лазерных методов.
Отмечая, что настоящая работа прежде всего направлена на изучение газообмена в системе почва - атмосфера, проведенные исследования носят сравнительный характер и могут быть использованы при изучении других неоднородных материалов и капиллярнопористых структур, значимость которых в науке и технике постоянно расширяется. Простое перечисление областей их применения - электровакуумная промышленность (гетероструктуры, эмиссионные и антиэмиссионные катоды, плазменно-напыленные покрытия и т.д.), электрохимия, атомная энергетика, разделение изотопов и газов, порошковая металлургия, производство стройматериалов - свидетельствует о весьма важной роли и широких возможностях капиллярно-пористых структур.
Принимая во внимание объективно сложившуюся разрозненность и узконаправленность исследований в конкретных областях, в значительной степени сдерживающих их использование, представляется актуальным развитие теории газопереноса в капиллярно-пористых структурах, имеющих единую физическую сущность и описываемых идентичными физико-статистическими моделями и термодинамическими закономерностями. Это побудило к созданию, по возможности, более общих моделей, использование которых не ограничивается почтой и грунтом.
Имеющиеся многочисленные данные, публикуемые по вопросам почвоведения, зачастую даются во внесистемных единицах, что естественно затрудняет оценку и сравнение соответствующих количественных характеристик и вызывает потребность унификации данных на основе использования определенной системы единиц. В работе

экспериментальной установки.
Система подвергалась длительному прогреву при положении крана на атмосферу до установления стационарного теплового режима, который контролировался термопарой, что позволило исключить влияние теплового расширения воздуха в камере и почве из дальнейшего рассмотрения. После прогрева установки кран переключался на манометр. Регулируемый электронагреватель обеспечивал разность температур между границами почвенного образца до 25 К.
В случае, когда почва не уплотнялась, а насыпалась в виде рыхлой массы и содержала множество макропор, манометр не регистрировал изменение давления. Такое положение вполне согласуется с предложенным ротационным механизмом воздухообмена, так как термодиффузионный поток почвенного воздуха, всегда в условиях данного эксперимента направленный вертикально вниз, приводит к газодинамическому вытеснению его по макроканалам в атмосферу, при весьма низкой (неконтролируемой) разности давлений, причем в большинстве случаев циркуляция не связана с рабочей каморой. Однако, когда почва искусственно уплотнялась, что приводило к закупориванию макропор, ситуация существенным образом менялась. В этом случае в манометре возникал резкий перепад уровней в коленах, свидетельствовавший о возрастании давления в камере, величина которого явно зависела от степени уплотнения почвы. Заметим, что и в уплотненной почве, весьма вероятно, остаются макропоры сравнительно небольшого радиуса, что создает пуазейлевское истечение воздуха в направлении потока тепла, в определенной степени обеспечивая ротацию почвенного воздуха и приводя тем самым к некоторому снижению давления в измеряемом объеме.
Быстрый первоначальный рост давления в камере, достигавшего характерных значений 150-200 мм вод.ст., как правило, длился весьма недолго, после чего оно резко падало до 30-60 мм вод.ст. После падения давления постоянно наблюдались его колебания около достигнутого уровня с амплитудой 5-10 мм вод. ст. и средней частотой 0,3 Гц.
Рассмотрим подробнее происходящие процессы. Резкое падение давления в камере, видимо, связано с образованием крупных пор при значительном возрастании давления вследствие термодиффузии воздуха из почвы. После этого ввиду упругих свойств почвы эти поры в основном смыкаются, однако не до прежнего состояния, вследствие чего давление устанавливается на уровне 30-60 мм вод. ст., а затем при некотором возрастании вновь, по тем же самым причинам, увеличивается пуазейлевский поток (давление падает) и т.д. Не исключено, что в колебании давления на отмеченном