Каталог продукции/ Система температурного мониторинга мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов/ Статьи

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Цена и срок изготовления
по запросу

Авторы:
Остроумов В.Е., Федоров-Давыдов Д.Г., Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино, Московская обл., Россия.
Давыдова А.И., Давыдов С.П., Северо-восточная научная станция Тихоокеанского института географии ДВО РАН, пос. Черский, Республика Саха(Якутия), Россия.
Еремин И.И., Кропачев Д.Ю. АО «НПП «Эталон», г. Омск, Россия.

 

Изучение тепловых потоков в системе «мерзлотная почва – многолетнемерзлая порода» на территории Колымской низменности начато в октябре 2014 года. На сегодняшний день обработаны данные двух полных годовых циклов измерения плотности теплового потока и температуры почвы. Исследования проводились в окрестностях пос. Черского, на Северо-восточной научной станции ТИГ ДВО РАН, расположенной в подзоне северной тайги. В качестве объекта мониторинга выбрана криометаморфическая палево-метаморфизованная легкосуглинистая почва на пологом склоне (4-5о) южной экспозиции в лишайниково-бруснично-зеленомошном лиственничном редколесье. Рис. 1

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Рис.1 – Участок мониторинга

Мониторинг осуществлялся с помощью измерительной системы производства АО «НПО «Эталон» (г. Омск). Для измерения плотности теплового потока использовались датчики ДТП-0924 с аналого-цифровыми преобразователями сигнала и накопителем данных ЛЦД-1/100. Рис. 2. Для измерения температуры использовались датчики МЦДТ 0922 с такими же преобразователями сигнала и накопителем данных. Датчики теплового потока устанавливались в почвенный профиль на глубинах 0 см (под растительный покров), 40 см и 85 см (на подошву деятельного слоя). Температурные датчики помещались на глубины: 0, 20, 40, 80 и 85 см. Поток тепла вглубь системы «почва-мерзлота» считался положительным, а в противоположную сторону – отрицательным.

 

Рис. 2 - Измерительная система: ДТП-0924 и ЛЦД-1/100

Теплообеспеченность почвы - количество тепла, расходуемое на ее нагревание от нулевой температуры до максимальных значений - рассчитывается как часть годового теплооборота:

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Среднегодовая температура почвы на 20 см за период наблюдений была равна -0,7оС, средняя температура самого теплого месяца (июль или август) - 4,4-4,7оС, а самого холодного месяца (март) - -5,3…-5,9оС. Амплитуда среднемесячных температур на 20 см составляла 10,0-10,3оС. Рис. 3 Согласно классификации В.Н. Димо температурный режим изучаемой почвы в летнее время является мерзлотным очень холодным, а в зимнее – мерзлотным умеренно-холодным. По величине годовой амплитуды почвенный климат может быть охарактеризован как мягкий.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Рис.3 - Динамика температуры почвы

 

Сезонное изменение знака теплового потока в изучаемой системе приходилось на первые числа мая и вызывало инверсию температурного градиента. Рис. 4. Между периодами охлаждения и нагревания имел место короткий промежуток времени (4-12 дней) с нулевыми значениями потоков. После схода снежного покрова плотность теплового потока на дневной поверхности резко возрастала на 1-2 порядка. В дальнейшем эта величина постепенно снижалась на протяжении теплого периода. Так, в конце мая ее максимальные значения составляли 113-189, в июне – 81-103, в июле – 72-73, в августе – 47-61, а в сентябре – 38-46 Вт/м2. Интенсивность отрицательных ночных потоков увеличивались с июня по сентябрь. На 40 и 85 см максимальные значения плотности потока наблюдались в июле или в августе, когда они были равны 18-23 и 9-11 Вт/м2 соответственно. Асинхронность сезонного распределения тепловых потоков, фиксируемых на нулевой отметке и в толще почвы, объясняется их разной природой. Поверхностный поток возникает, в первую очередь, благодаря лучистой энергией солнца, интенсивность и продолжительность суточного поступления которой максимальна весной и в начале лета, то есть в период полярного дня и преобладания ясной погоды. В деятельном же слое и на его границе с мерзлотой теплопоток обусловлен, в первую очередь, кондуктивным переносом энергии, лучше всего проявляющимся в разгар летнего сезона и во второй его половине.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Рис. 4 - Динамика тепловых потоков

 

Переход системы к полупериоду сезонного охлаждения происходил в последнюю декаду сентября. Он выражался в смене направления теплового потока на дневной поверхности и его приостановке в средней и нижней частях профиля. Появление отрицательных потоков на глубине 40 см обнаруживается в момент начала промерзания слоя 20-40 см или несколько раньше. Период нулевых потоков на подошве деятельного слоя продолжался до конца ноября – середины декабря, после чего возобновлялось поступление тепловой энергии в толщу мерзлоты. Плотность такого потока доходила до 0,6 Вт/м2. Смена его знака на отрицательный строго соответствовала моменту смыканию фронтов сезонной и многолетней мерзлоты. Рис. 5. Поток тепла в толщу мерзлоты, наблюдаемый в период промерзания средней и нижней частей профиля, скорее всего, объясняется выделением тепла при кристаллизации почвенной влаги, распространяющегося как вверх, так и вниз по профилю.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Рис. 5 - Ввод тепловой энергии в вечную мерзлоту при сезонном промерзании активного слоя

 

Плотность зимних потоков тепла были значительно меньше таковой как для положительных (дневных), так и для отрицательных (ночных) потоков в летнее время. На всех глубинах проявлялась тенденция к ее уменьшению на протяжении холодного периода, что связано, как с накоплением снежного покрова, так и с ослаблением морозов в начале весны. Максимальные значения плотности теплового потока вверх на поверхности снижались с 13-14 в октябре до 3 Вт/м2 в апреле; для 40 см – с 5-8 в декабре до 2-3 Вт/м2 в апреле и с 3-4 в январе до 2-3 Вт/м2 в апреле. Из-за высокой теплопроводности мерзлого грунта плотность зимних потоков уменьшалась по профилю не так интенсивно, как летних.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ

Рис. 7 - Содержание теплового переворота: 1-энергия расходуется на нагрев вечномерзлого грунта; 2-энергия расходуется на нагрев активного слоя от минимальных значений до 0оС и водно-фазовых переходов; 3-теплоотдача грунта

 

Положительный баланс тепла в первый год составлял: 66,24 МДж/м2 (48,6% от общего поступления энергии), а во второй 87,42 МДж/м2 (50,8%). Иначе говоря, количество энергии, поступающей с систему «почва-мерзлота» за лето оказалось примерно вдвое больше энергии, теряемой в течение зимы. При этом баланс для деятельного слоя был равен 52,37 МДж/м2 (52,7%) и 57,72 МДж/м2 (46,6%), а для многолетней мерзлоты- 13,87 МДж/м2 (37,5%) и 29,7 МДж/м2 (61,6%) в первый и второй годы соответственно. Результаты мониторинга теплового потока хорошо согласуются с тенденцией к повышению температур в системе «почва-мерзлота» и увеличению мощности деятельного слоя, установленной для изучаемой территории и отражающей глобальное изменение климата в сторону потепления.

 

Выводы:

1. Мониторинг тепловых потоков в системе «почва-мерзлота», проводимый параллельно с измерениями температуры, позволяет подробно рассмотреть процесс теплообмена почвы с атмосферой и многотелетнемерзлой породой.

2. В изучаемой почве плотность теплового потока летом, как правило, выше, чем зимой. Из-за высокой теплопроводности мерзлой почвы величина этого показателя в холодное время года снижается по профилю не так резко, как в теплое. В полупериод нагревания (май-сентябрь) максимальные потоки на поверхности наблюдаются после схода снежного покрова, а в толще профиля и на границе с мерзлотой - в середине или второй половине летнего сезона. В полупериод охлаждения (октябрь-апрель) на всех глубинах плотность потоков снижается от момента промерзания к весне.

3. Смена направления теплового потока в почвенном профиле сопровождается периодом с нулевыми значениями потока, который в осеннее время растягивается на несколько недель. Поступление тепла в многолетнемерзлую породу возобновляется во время промерзания средней и нижней частей деятельного слоя и продолжается до смыкания сезонной и многолетней мерзлоты. Происхождение этого потока (до 0,6 Вт/м2), по видимому, связано с выделением теплоты кристаллизации почвенного раствора.

4. 72-73% тепла, поступающего в систему «почва-мерзлота» расходуется на нагревание деятельного слоя и фазовые переходы лед-вода и 27-28% - на нагревание многолетней мерзлоты. Теплообеспеченность почвы составляет около 10% от суммарной величины приходящей энергии. За годы мониторинга зимние потери тепла были примерно вдвое меньше его поступления в летнее время, что согласуется с общей тенденцией к повышению температуры мерзлоты и деятельного слоя.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В КРИОМЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПОЧВЕ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ И ЕЕ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ
Top.Mail.Ru

© 2009-2020 АО "НПП "ЭТАЛОН"