Поглощение и лучеиспускание теплоты составными частями почв. 
Теплоемкость и теплопроводность почв

Подобно тому, как при исследовании других физических свойств почв, изучение условий, влияющих на их нагревание и охлаждение, всего лучше производить не над почвами в их естественном состоянии, а над отдельными составными частями их, находящимися в почвах в большом количестве. При изучении самых почв, вообще сложных по составу, во многих случаях получаемые результаты невозможно применять к суждению о других почвах, потому что невозможно определить, какими составными частями в какой мере обусловливаются результаты исследований. Наиболее точные исследования над условиями, определяющими нагревание и охлаждение почв, произведены при употреблении отдельных чистых составных частей почв.

Температура почв прежде всего обусловливается нагреванием и охлаждением их поверхности, что зависит от поглощения тепловых солнечных лучей н от лучеиспускания теплоты поверхностью почв. Польшая или меньшая быстрота нагревания почв, кроме того, зависит от теплоемкости их. Наконец, нагревание и охлаждение почв на некоторой глубине зависит от передачи теплоты с нагретых поверхностных слоев почвы слоям более глубоким, вследствие теплопроводности, и от обратной передачи теплоты из глубоких слоев поверхностным, когда последние охлаждаются.

Взявши чистый кварцевый песок, углекислую известь (толченый мрамор), каолин и перегной (в виде измельченного торфа), Ланг нашел, что вещества эти по способности поглощения и испускания тепловых лучей располагаются в следующий ряд:

Торф Кварц Углекислая известь Каолин Наибольшей способностью поглощать тепловые лучи и наиболее сильным лучеиспусканием теплоты отличается торф, и за ним следуют другие вещества в указанном порядке. Цвет торфа, повидимому, составляет причину его преимущества в указанном отношении, так как если поверхность кварца и других веществ будет зачернена сажею, то нагревание и охлаждение их под влиянием поглощения и лучеиспускания теплоты делаются несравненно сильнее, и тогда вещества эти превосходят в этом торф; в таком случае, конечно, поглощение и лучеиспускание теплоты производится уже тонким слоем сажи, а масса кварца и пр. нагревается уже передачею этой теплоты от слоя сажи.

Мелкость частиц оказывает сильное влияние на поглощение и лучеиспускание теплоты: при исследовании кварца, измельченного неодинаково, Ланг нашел, как н следовало ожидать, что при большей крупности частиц поглощение п лучеиспускание теплоты слабее, чем при большем измельчении его; очевидно, что в этом отношении разница между крупным и мелким кварцем соответствует разнице между полированными и матовыми поверхностями.

Что касается теплоемкости различных составных частей почв, то мы имеем несколько точных исследований по этому предмету; из них мы воспользуемся некоторыми, приведя результаты их в следующей таблице:

Из этих цифр вндцо, что теплоемкость песка, глниы и углекислой известиприблизительно одинакова, но теплоемкость торфа значительно больше. Отсюда можно было бы заключить, что при равных количествах поглощаемой теплоты торф будет нагреваться медленнее других составных частей почвы; но такое заключение, как впервые указал Либенберг, не соответствовало бы действительности и не имело бы практического значения. Когда идет речь о нагревании почв, то является важным определить температуру определенного слоя, или, другими словами, определенного объема их, между тем приведенные выше цифры относятся к одинаковым весам указанных веществ. Зная удельный вес их, легко вычислить количество теплоты, необходимое для нагревания на 1° равных объемов их, что и было сделано Лангом. Определивши удельный вес исследованных им веществ, он нашел следующие величины:

Перемножением этих цифр с теми, которые показывают теплоемкость тех же веществ, мы получим величины теплоемкости для равных объемов, именно:

Кварца. .. (2,64×0,196) 0,512 Каолина. .. (2,47×0,233) 0,576 Мрамора... (2,72×0,214) 0,582 Торфа … (1,26×0,477) 0,651.

Теплоемкости разных составных частей почвы, отнесенные к равным объемам, различаются незначительно, и, следоватсльпо, разница в нагревании различных почв обусловливается не теплоемкостью их, а другими обстоятельствами. Одною из главнейших причин различного нагревания почв следует считать содержание в них воды. При равном объеме с другими составными частями почвы вода отличается вдвое большей теплоемкостью; кроме того, содержащаяся в почвах вода постоянно испаряется из них, причем поглощается весьма большое количество теплоты; поэтому почвы влажные при других одинаковых условиях должны нагреваться слабее сухих почв.

Нагревание более глубоких слоев почвы обусловливается, как мы уже говорили, не только нагреванием поверхностного слоя, но также теплопроводностью почв. Несмотря на важное значение теплопроводности почв, она оставалась совершенно неисследованной до недавнего времени. В 1875 году почти одновременно Произведены над теплопроводностью почв два исследования— Литровым и Габерландтом, независимо друг от друга. Впоследствии более обширная работа произведена Поттом и, наконец,—позднее всего—Вагнером. Так как при каждой последующей работе принимались во внимание и устранялись некоторые неточности работ предыдущих, то мы изложим здесь только результаты исследования Вагнера.

Аппарат, при помощи которого производил свои исследования Вагнер (это был аппарат Потта), состоял из двух главных частей: 1) из цилиндрической части для помещения исследуемого материала и 2) из жестяной коробки с нагретым маслом, служившей источником тепла.

Первая часть состояла из каучукового цилиндра 32,5 см длины и 10 см в поперечнике, со стенками в 0,5 см толщины; с обоих концов он был открыт и вдвигался в деревянный цилиндр, стенки которого имели 2 см толщины. Переднее отверстие такой трубы могло плотно закрываться толстой медной крышкою в 1 см толщины, а заднее—навинчивающейся толстой деревянной крышкою. Деревянный цилиндр снаружи тоже обвертывался фланелью и клался горизонтально в деревянный ящик и засыпался со всех сторон толстым слоем отмок; только медная пластинка, закрывающая цилиндр, высовывалась из ящика. Исследуемое вещество таким образом надежно изолировалось от нагревания снаружи.

Исследуемое вещество нагревалось от медной крышки, и отсюда теплота передавалась к задней части цилиндра. Чтобы наблюдать распространение теплоты, в цилиндр с веществом вставлялось шесть термометров, шарики которых приходились в центральной оси цилиндра. Для этого верхняя стенка ящика, фланель, деревянный и каучуковый цилиндры были просверлены. Термометры вставлялись в деревянный цилиндр на каучуковых пробках. Первый термометр находился в расстоянии 1 см от медной нагревающей крышки, а остальные термометры—в расстоянии 6 см от первого и друг от друга.

Вторая часть аппарата, служившая источником тепла, состояла из жестяного вертикального цилиндра, к которому сбоку припаян был горизонтальный короткий цилиндр; дно последнего плотно прикладывалось к медной крышке цилиндра с исследуемым веществом, и нагревание последнего производилось при помощи масла, находящегося в жестяном сосуде, температура которого поддерживалась на определенной постоянной высоте при помощи термостата Сокслета. Термометры, как тот, который погружен был в сосуд с маслом, так п находящиеся в цилиндре с исследуемым веществом, были сверены между собою.

При начале опыта термометры в цилиндре с веществом показывали температуру воздуха; но затем нагревалось сперва вещество возле медной крышки, и потому сперва показывал более высокую температуру термометр, ближайший к ней, а затем и все остальные. При исследовании сухих веществ масло нагревалось до 90°, а при исследовании веществ влажных—не выше 55°, так как при более высокой температуре могло бы происходить испарение воды из болеенагретой части цилиндра с веществом в часть менее нагретую.

В следующей таблице показаны результаты одного ряда опытов; цифры выражают повышение температуры вещества против его первоначальной температуры (т. е. разности между температурою воздуха и температурою исследуемого тела) в течение 10 часов опыта.

Цифры этой таблицы показывают, что лучшей теплопроводностью обладает кварц, и за ним в нисходящем порядке следуют окись железа, углекислая известь, глина, и хуже всего проводит теплоту перегной (торф).

Различия в теплопроводности этих веществ (за исключением кварца) так невелики, что при некоторых опытах получаются иные результаты. Так, например, при исследованиях Потта найдено среднее повышение температуры на термометрах 2—6:

У мела … от 4,95 до 5,38 У перегноя. ь 5,27 ь 5,70.

ь каолина.. «5,27 «5,60 «• кварца.. «5,81 р 6,20.

Кроме того, у Вагнера, когда исследованные им вещества насыпались рыхло, получены были следующие средние повышения температуры из показаний термометров 2—6:

Все это показывает, что составные вещества почвы оказывают на ее теплопроводность меньшее влияние, чем более и менее плотное расположение частиц; так как, несмотря на особенные старания наполнять аппарат различными веществами одинаково плотно, итого никогда нельзя достигнуть п всегда остаются незначительные различия в плотности, то уже итого совершенно достаточно для того, чтобы получать неодинаковые результаты при определении относительной теплопроводности различных указанных выше веществ.

Вообще все до сих пор произведенные исследования показывают, что, чем меньше остается между отдельными частицами почвы скважин, наполненных воздухом, тем почва лучше проводит теплоту; поэтому плотные почвы обладают лучшей теплопроводностью, по сравнению с рыхлыми почвами того лее состава. Подтверждение этому можно видеть из приведенных выше результатов Вагнера относительно теплопроводности рыхлых и плотных сухих веществ, н ю же самое подтверждается следующими, цифрами:

Так как при большей крупности отдельных зерен в том же объеме почвы находится меньшее число промежутков, занятых воздухом, то крупнозернистые почвы проводят теплоту лучше мелкозернистых, и по той же причине почвы комковатые обладают лучшей теплопроводностью, чем иорошковатые; например, замечено было:

Если в почве находятся камни, то, чем их больше или чем они крупнее, тем лучше теплопроводность почвы.

Почвы влажные, как показали все, без исключения, опыты, более теплопроводны, чем почвы сухие, потому что у почв влажных промежутки между твердыми частицами заняты водою, а не воздухом, а так как вода лучше проводит теплоту, чем воздух, то от ее присутствия повышается и теплопроводность почв. Чтобы видеть это действие воды, достаточно сравнить следующие цифры:

То же самое найдено и для всех других исследованных веществ.

Абсолютная теплопроводность воды больше абсолютной теплопроводности мрамора; поэтому можно полагать, что влажные почвы проводят теплоту столь же хорошо, как различные горные породы. Теплопроводность льда почти вдвое более теплопроводности воды; поэтому промерзшие почвы должны отличаться лучшей теплопроводностью сравнительно с почвами незамерзшими.

Исследования, рассмотренные в настоящей главе, дают нам возможность сделать некоторые заключения о нагревании и охлаждении различных почв. Если взять почвы сухие, то, при содержании в них кварца в значительном количестве, они с поверхности будут нагреваться (при одинаковых условиях) быстрее других почв, но и охлаждаться будут тоже быстрее, вследствие сильной способности кварца поглощать и лучеиспускать теплоту. Вследствие этого кварцевые почвы будут отличаться большими колебаниями температуры, по сравнению с другими почвами. Так как, кроме того, кварц обладает лучшей теплопроводностью, чем другие составные части почв, то указанное различие не ограничится только поверхностными слоями почвы, но будет распространено также н на слои более глубокие. Но если бы мы желали определить на основании предыдущих исследований, какова будет средняя температура различных почв за определенный период времени, то никаких заключений относительно этого мы не могли бы сделать. Кварцевые почвы нагреваются и охлаждаются сильнее глинистых и известковых; но каков будет средний вывод из этих больших колебаний температуры в одном случае и меньших в другом,—этого нельзя решить без прямых исследовании.

Точно так же предыдущие исследования не дают нам возможности определить влияние влажности почв на их среднюю температуру: влажные почвы с поверхности нагреваются и охлаждаются слабее сухих почв; но, кроме того, влажные почвы более теплопроводны, по сравнению с сухими, и потому, может быть, на некоторой глубине нагревание и охлаждение влажных почв будут сильнее, чем у почв сухих.

Насколько трудно решение подобных вопросов, можно видеть, например, из того, что Литров и Габерландт, нашедши, что теплопроводность у влажных почв более, чем у сухих, полагали на основании этого, что на некоторой глубине влажные почвы должны быть в среднем выводе теплее сухих почв, несмотря на то, что последние под влиянием солнечных лучей нагреваются сильнее. Вольни доказал впоследствии прямыми наблюдениями несправедливость этих заключений.

Таким образом, все изложенное нами в настоящей главе не дает нам возможности делать безошибочные заключения о нагревании различных почв в действительности; на основании предыдущих исследований, мы, однако, можем дать рациональные объяснения тем фактам, которые получаются при прямых наблюдениях над температурою почв при различных условиях, отчего наблюдения эти получают значение более общее.