Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Спектральное излучение (эмиссия) почв

3.3.2. О собственном излучении почв

Спектральное излучение (эмиссия) почв в тепловом инфракрасном диапазоне определяется температурой их поверхности, соответственно колебаниями температуры в течение дня и ночи. При этом почвы с разной излучательной способностью имеют соответственно различную температуру излучения, которая может регистрироваться дистанционными методами. Здесь необходимо подчеркнуть, что температура почв не всегда соответствует температуре на ее поверхности, так как в большинстве случаев коэффициент излучения естественных поверхностей в тепловом диапазоне меньше, чем он на самом деле. Для того чтобы получить радиационные (тепловые) температуры объектов снимаемой местности, необходимо провести радиометрическую коррекцию.
На температурные характеристики почв влияет ряд параметров, как зависимых, так и не зависимых от свойств почвы. К зависимым параметрам относятся: цвет почвы; состав и объемная доля минералов в ее составе; размер частиц почвы; содержание органического вещества; пористость и соответственно проницаемость; влажность и соответственно водонасыщение. В зависимости от этих параметров меняются: альбедо (отношение отраженного потока солнечной энергии к поглощенному); удельная теплоемкость С; теплопроводность л; температуропроводность а и теплоперенос Р. Эти физические свойства определяют: тепловой поток в почве; теплообмен между почвой и пограничным слоем воздуха над ее поверхностью; амплитуду ежедневных температурных колебаний и в связи с этим и характеристику спектрального излучения и соответственно температуру излучения (радиационную температуру) почв. Различия в радиационных температурах почв и изменения их значений могут быть использованы для геологического дистанционного зондирования.
К параметрам, не связанным с природой объекта, но влияющим на температуру поверхности почв и их температурный профиль, относятся: интенсивность и состав спектра направленного потока солнечного излучения и рассеянного, диффузного свечения неба; топографическая позиция исследуемой поверхности почвы в ландшафте местности (рельеф, высота над уровнем моря), ее наклон; ориентировка по отношению к падению солнечных лучей; вид и густота растительности; дренаж и, прежде всего, метеорологические факторы, которые все без исключения в первую очередь влияют на возможность регистрации спектрального излучения (время выпадения осадков, количество их, ветер, дождливые и сухие периоды, туманообразование, микроклимат). В зависимости от колебаний всех этих параметров меняются дневные и годовые конечные величины испарения почвы, которые влияют на охлаждение поверхности почвы. Среди результатов некоторых ранних исследований заслуживают внимания проблемы тепловых свойств и спектральных характеристик почв [244, 245]. Нижеприведенные графики и их объяснение почти без изменений взяты из этих работ.
Особое значение для тепловых (температурных) характеристик почв имеет почвенный тепловой поток. Его значение входит вышеназванными компонентами в уравнение теплового баланса и определяется тепловыми свойствами почвы, которые тоже обсуждались выше (разд. 2.3). В табл. 2 представлены тепловые свойства важнейших составных частей почвы при температуре 20°С и давлении 1 бар. Из таблицы становится ясно, что главные компоненты почвы (кварцевый песок, глинистые минералы, органическое вещество, вода и воздух) имеют различные тепловые свойства. Так как тепловые свойства почвы складываются из термических свойств ее компонентов, вид связи и, конечно, содержание отдельных компонентов в почве в значительной мере определяют ее температурную характеристику. При этом температурные свойства почвы могут менять не только главные компоненты, но и другие частные взаимосвязанные физические параметры.

Таблица 2. Тепловые свойства важнейших составных частей почвы [244] (доступно только при скачивании полной версии)

Собственная теплоемкость (коэффициент теплоемкости) С получается аддитивно из объемного содержания и коэффициентов удельной теплоемкости отдельных составных частей почвы. Соответствующие связи между удельной теплоемкостью, общим объемом пор и влажностью для проб почв и горных пород без органического вещества показаны на рис. 23. Основные области влажности и объема пор для песчаных и глинистых почв заштрихованы. Из рисунка видно, что удельная теплоемкость при заполненных воздухом порах уменьшается с увеличением объема пор, а при заполнении их водой (влажные почвы) увеличивается. Можно показать (рис. 23), что определенной удельной теплоемкостью, например 0,5 кал/(см3·°С) (2,09 Дж·см-3·К-1), обладают разные типы почв. В нашем примере это водонасыщенный песчаник с пористостью 8% (точка А) и глины с объемом пор 50% и водонасыщенностью 27% (точка В).

Рис. 23. Удельная теплоемкость почв и горных пород с различной пористостью и влажностью [244]. (1 кал = 4,1868 Дж). (доступно только при скачивании полной версии)

Теплопроводность (к) почв определяется преобладающим составом минералов, размером зерен, их формой, объемным содержанием отдельных компонентов, степенью цементированности, плотностью грунта, структурой, пористостью и влажностью. График на рис. 24 показывает разницу между теплопроводностью песка и песчаника с водонасыщенными (заполненными водой) порами (верхняя кривая) и сухого песка (нижняя кривая). Теплопроводность уменьшается для всех трех видов материала с увеличением пористости. Графики, характеризующие водонасыщенные песок и песчаник, различаются слабо, а характеризующие сухой песок и песчаник – сильно.

Рис. 24. Теплопроводность как функция пористости при установленных пределах температуры и заполнения пор [244]. 1 – песчаник; 2 – песок. (доступно только при скачивании полной версии)

Теплопроводность трех видов разных материалов (рис. 25) изменяется в зависимости от их влажности нелинейно. При небольшой влажности значение теплопроводности быстро возрастает, но при высокой влажности она увеличивается медленно. Тесная связь между влагонасыщенностью и теплопроводностью устанавливается только для какого-либо одного типа почв с постоянной пористостью (см. на рис. 25 кривую, характеризующую глины с постоянной пористостью до 42%). На теплопроводность торфа влияет его высокая пористость, прежде всего общее количество пор. В целом низкая теплопроводность торфа зависит от теплопроводности органического вещества, которая имеет значение, среднее между теплопроводностью воды и воздуха.

Рис. 25. Теплопроводность песка, глины и торфа как функция влажности почв. Цифры показывают общую пористость [244]. (доступно только при скачивании полной версии)

Следующий график (рис. 26) показывает, что теплопроводность осадков с пористостью 36-38% очень незначительно возрастает, если повышается теплопроводность минералов [331]. Влияние минерального состава почв (соответственно термических свойств минералов) на ее теплопроводность меньше, чем влияние пористости и влагонасыщенности.

Рис. 26. Зависимость между теплопроводностью минералов и горных пород и почв, сложенных этими минералами [244]. 1 – горные породы; 2 – почвы. (доступно только при скачивании полной версии)

Амплитуда ежедневных температурных колебаний почв определяется теплопереносом. Как и для других тепловых свойств почв, в ежедневных колебаниях температуры заметную роль играют общий объем пор, содержание пустот и влажность. Из графика на рис. 27 видно, что теплоперенос с увеличением пористости уменьшается, причем для влажных песков и песчаников незначительно. Для песчаника и песка с сухими, заполненными воздухом порами уменьшение теплопереноса при увеличении пористости заметно возрастает. В целом при уменьшающемся теплопереносе амплитуда суточных колебаний температуры почв увеличивается. Добавим к этому, что теплоперенос почв рассчитывается как корень квадратный из произведения удельной теплоемкости и теплопроводности.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом