FIZYKA I CHEMIA GLEB
Bilans wodny i cieplny gleb
Woda w glebie
Bilans cieplny gleby
Równanie bilansu cieplnego Rn  G  H  E = 0
E - energia zużyta na parowanie, H  energia oddana drogą konwekcji i
turbulencji
Rd=Rg - Ra
Rn  bilans promieniowania
Rn = Rs + Ra  Ro - Rg
Rs
Rs  promieniowanie
słoneczne
E H
Rg
Ra  promieniowanie
Ro
atmosfery
E
Ra
H
G  wymiana ciepła z glebą Ro  promieniowanie odbite
od powierzchni
Rg  promieniowanie od
powierzchni czynnej
Związek bilansu wodnego z bilansem cieplnym
E i H zależą od charakteru powierzchni czynnej
H = -�pcpKH "T/"z (energia oddana drogą konwekcji)
E = -�pLKv "w/"z (energia zużyta na parowanie)
"T/"z  pionowy gradient temperatury
"w/"z  gradient wilgotności
�p  gęstość powietrza
cp  ciepło właściwe powietrza
L  utajone ciepło parowania
KH  współczynnik dyfuzyjności ciepła
Kv  współczynnik dyfuzyjności pary wodnej
Woda w glebie  siły oddziaływujące na
wodę
Siły elektrostatyczne  pochodzące od
ładunków elektrycznych występujących na
powierzchni cząstek gleby )decydują o
istnieniu wody molekularnej
Siły kapilarne  powstają na granicy 3 faz,
stałej, ciekłej i gazowej jako efekt działania
napięcia powierzchniowego cieczy i zjawisk
towarzyszących zwilżaniu (decydują o
istnieniu wody kapilarnej)
Woda w glebie  siły oddziaływujące na
wodę
Siły osmotyczne  występują w wyniku różnic
koncentracji roztworów w otoczeniu cząstek
gleby, wpływają na kierunek ruchu wody
Siły grawitacji ziemskiej  powoduje ruch wody
w głąb profilu glebowego
Postacie wody w glebie

Woda w postaci pary wodnej

Woda molekularna
higroskopowa
błonkowata

Woda kapilarna
właściwa
zawieszona (przywierająca)

Woda wolna
infiltracyjna
glebowo-gruntowa
Woda w postaci pary wodnej
Woda ta wchodzi w skład powietrza glebowego
zajmującego przestwory. Powietrze glebowe i
zawarta w nich woda ciągle wymieniają się z
powietrzem atmosferycznym.
Przemieszczanie się wody glebowej w postaci
pary wodnej charakteryzuje się tym, że nie
towarzyszy mu przemieszczanie
przemieszczanie się substancji chemicznych
Woda molekularna  higroskopowa
- błonkowata
Ilość wody molekularnej zależy od składu
Granulometrycznego i chemicznego oraz od
Ilości koloidów glebowych i kompleksu
sorpcyjnego
W obrębie tworzących wokół cząsteczek glebowych możemy
wydzielić dwie strefy:
Woda higroskopowa  warstwa bezpośrednio przylegająca do
cząsteczki gleby, utworzona z pary wodnej powietrza glebowego.
Jest wodą silnie związaną niedostępną dla roślin (siła wiązania
znacznie przekracza siłę ssącą korzeni).
Nie porusza się w glebie, nie rozpuszcza soli , nie zamarza (nawet
w -78 st C) całkowicie wyparowuje w 105 st C.
Woda błonkowata
-
Woda tworząca zewnętrzną warstwę wody molekularnej
jest związana siłami molekularnymi przez zewnętrzne
warstwy wody higroskopowej
Utworzona z zasobów pary wodnej lub wody wolnej i
kapilarnej (roślina jedynie częściowo korzysta z tej wody)
Woda ta przemieszcza się wskutek wyrównywania
potencjałów (od cząsteczek z grubszą warstwą do tych z
cieńszą
Wartość maksymalnej higroskopowości
Woda kapilarna
Na granicy fazy stałej i ciekłej oraz ciekłej i
gazowej w kapilarach o średnicy
dziesiętnych milimetra , występują siły
kapilarne  mogą one wciągać i wypychać
wodę z kanalików glebowych
Możemy wyróżnić: wodę kapilarną
zawieszoną (np. z opadów)
wodę kapilarną z podsiąku (właściwą)
gaz
Siły działające na cząsteczkę cieczy na granicy dwóch
ośrodków
ciecz
Czerwona strzałka pokazuje wypadkową siłę, jaką
ciecz przyciągałaby
molekułę, gdybyśmy chcieli tę molekułę oderwać od
powierzchni.
Ta wypadkowa siła jest przyczyną NAPI
CIA
POWIERZCHNIOWEGO
gaz
Rozwiązanie istnieje tylko wtedy, gdy
ciecz
Jeśli nie, to ciecz rozpływa się w
ciało stałe
jednoatomową warstwę (zwilża), albo
tworzy kulkę (nie zwilża)
W punkcie kontaktu trzech faz mamy trzy siły styczne.
Powierzchnie kontaktu utworzą taki kąt, by siły te były w równowadze
gaz
ciecz
ciecz
Napięcia powierzchniowe muszą spełniać regułę
trójkąta. Jeśli ten warunek nie jest spełniony ciecz (2) rozlewa
się w warstwę monocząsteczkową lub tworzy kulkę
Rodzaje menisków a) wklęsły (szkło/woda), b) wypukły
(szkło/rtęć), c) zdolność podsiąkania (szkło/woda)
P = 2�/d ciśnienie
4 �" � �" cosą
H =
kapilarne
� �" d �" g
w
H  wysokość podsiąku
d  średnica kapilary
ą  kąt zwilżania
�  napięcie powierzchniowe
g  przyśpieszenie ziemskie
�w  gęstość wody
Uproszczony wzór do
obliczenia wysokości dla
gleby:
H= 0,3/d
Dzięki siłom wzajemnego przyciągania (wiązania, adhezji)
cząstek gleby (tworzących kapilary) i cząstek wody tworzy
się w kapilarach menisk wklęsły (zjawisko zwilżania)
Napięcie powierzchniowe
Odrobina mydła.
Igła pływająca po wodzie
A
ódka płynie prosto lub skręca
Błona mydlana na ramce
w kształcie okręgu
Pomiar napięcia
powierzchniowego
http://www.funsci.com/texts/index_en.htm
Wysokość podsiąku kapilarnego w kapilarach o średnicy
mniejszej jest większa. Prędkość podsiąku wydatnie
maleje w kapilarach o mniejszych średnicach, bowiem
tam występuje głównie woda błonkowata i higroskopowa
Prędkości kapilarnego podnoszenia:
Piaski grube 0,12 m d-1
Piaski średnie 0,21
Piaski drobne 0,38
Pyły grube 0,54
Pyły drobne 1,15
Iły pyłowe grube 0,49  0,30
Iły pyłowe drobne 0,14
Iły koloidalne 0,05
Przykłady wysokości podsiąku kapilarnego w niektórych
frakcjach i utworach glebowych wg Beskowa, Atterberga,
Mieczyńskiego
Gdy wody zalegają na niewielkiej głębokości wówczas
prawie cały niedobór wody może być pokryty przez
podsiąkającą wodę
0,0
0,2
Zasilanie podsiąkiem z
poziomu zwierciadła
0,4
wody gruntowej
0,6
Pobór z zapasów
0,8
wilgoci glebowej z
warstwy ponad
1,0
zwierciadłem
Poziom wody
wody gruntowej
gruntowej (m)
20 40 60 80 100%
Niedobory opadów No = E - P
Zalety kapilarności
1. Gleby o dużej kapilarności zapewniają
roślinom sporo wody dostępnej na
transpirację i umożliwiają korzystanie z
zapasu wody gruntowej
2. Gleby o małej kapilarności narażone są
na przesuszanie(powinno się w nich
utrzymywać wyższy poziom wody
gruntowej
Wady kapilarności
1. Kapilarność sprzyja parowaniu z
powierzchni gruntu co traktujemy jako
stratę wody, która ponadto obniża
temperaturę
2. Gleby o dużej kapilarności skłonne są do
zabagnień (wymagają one więc
obniżenia poziomu wody gruntowej)
3. W okresie zimowym gdy parowanie jest
niskie, woda podnosząc się kapilarami
powodować może pogorszenie stanu
dróg
Pod słabo odwodnioną nawierzchnią dróg
zamarzająca woda spowoduje
wybrzuszenia nawierzchni i dziury
Stopy fundamentowe powinny mieć
odpowiednio zaprojektowaną głębokość
posadowienia aby chronić przed skutkami
podsiąku kapilarnego
wysadzina
strop unosi
się do góry
Woda wolna  infiltracyjna, gruntowa
Wypełnia pory większe od kapilarnych,
przemieszcza się pod wpływem sił grawitacji, nie
jest związana z cząsteczkami gleby ani siłami
molekularnymi i kapilarnymi
Występuje jako: woda przesiąkająca (pojawia się
po obfitych opadach atmosferycznych
woda glebowo-gruntowa