Температура почвы на глубине в зимние месяцы. Зимние измерения. Динамика температур под землей, в подполе и скважине
Изменение температуры с глубиной. Земная поверхность в силу неравномерного поступления солнечного тепла то нагревается, то охлаждается. Эти колебания температуры проникают в толщину Земли очень неглубоко. Так, суточные колебания на глубине 1 м обычно уже почти не ощущаются. Что же касается годовых колебаний, то они проникают на разную глубину: в теплых странах на 10-15 м, а в странах с холодной зимой и жарким летом до 25-30 и даже 40 м. Глубже 30-40 м уже всюду на Земле температура держится неизменной. Например, термометр, поставленный в подвале Парижской обсерватории, все время на протяжении свыше 100 лет показывает 11°,85С.
Слой с постоянной температурой наблюдается на всем земном шаре и носит название пояса постоянной или нейтральной температуры. Глубина залегания этого пояса в зависимости от климатических условий различна, а температура равна приблизительно средней годовой температуре данного места.
При углублении в Землю ниже слоя постоянной температуры обыкновенно замечается постепенное повышение температуры. Впервые это было замечено рабочими глубоких рудников. Замечалось это и при прокладке тоннелей. Так, например, при прокладке Симплонского тоннеля (в Альпах) температура повышалась до 60°, что создавало немалые трудности в работе. Еще более высокие температуры наблюдаются в глубоких буровых скважинах. Примером может служить Чуховская скважина (Верхняя Силезия), в которой на глубине 2220 м температура была свыше 80° (83°, 1) и т. д. На основании очень многих наблюдений, произведенных в самых различных местах Земли, удалось установить, что в среднем при углублении на каждые 33 м температура возрастает на 1°С.
Число метров, на которое нужно углубиться в Землю, чтобы температура возросла на 1°С, называют геотермическо ступенью. Геотермическая ступень в различных случаях неодинакова и чаще всего она колеблется от 30 до 35 м. В некоторых случаях эти колебания могут быть и выше. Например, в штате Мичиган (США), в одной из буровых скважин, расположенных близ оз. Мичиган, геотермическая ступень оказалась не 33, а 70 м. Наоборот, очень малая геотермическая ступень наблюдалась в одной из скважин Мексики, Там на глубине 670 м появилась вода с температурой в 70°. Таким образом, геотермическая ступень оказалась всего около 12 м. Малые геотермические ступени наблюдаются также в вулканических областях, где на небольших глубинах могут быть еще неостывшие толщи изверженных пород. Но все подобные случаи являются не столько правилами, сколько исключениями.
Причин, влияющих на геотермическую ступень, много. (Кроме приведенных выше, можно указать на различную теплопроводность горных пород, на характер залегания пластов и др.
Большое значение в распределении температур имеет рельеф местности. Последнее хорошо можно заметить на приложенном чертеже (рис. 23), изображающем разрез Альп по линии Симплонского тоннеля, с нанесенными пунктиром геоизотермами (т. е. линиями одинаковых температур внутри Земли). Геоизотермы здесь как бы повторяют рельеф, но с глубиной влияние рельефа постепенно уменьшается. (Сильный изгиб геоизотерм вниз у Балле обусловливается наблюдающейся здесь сильной циркуляцией вод.)
Температура Земли на больших глубинах. Наблюдения над температурами в буровых скважинах, глубина которых редко превышает 2-3 км, естественно, не могут дать представления о температурах более глубоких слоев Земли. Но здесь нам на помощь приходят некоторые явления из жизни земной коры. К числу таких явлений относится вулканизм. Вулканы, широко распространенные по земной поверхности, выносят на поверхность Земли расплавленные лавы, температура которых свыше 1000°. Стало быть, на больших глубинах мы имеем температуры, превышающие 1000°.
Было время, когда ученые на основании геотермической ступени пытались вычислить ту глубину, на которой могли быть столь высокие температуры, как 1000-2000°. Однако подобные вычисления нельзя считать достаточно обоснованными. Наблюдения, производившиеся над температурой остывающего базальтового шара, и теоретические расчеты дают основание говорить, что величина геотермической ступени с глубиной увеличивается. Но в каких пределах и до какой глубины идет подобное увеличение, мы также пока сказать не можем.
Если допустить, что температура с глубиной возрастает непрерывно, то в центре Земли она должна измеряться десятками тысяч градусов. При таких температурах все известные нам горные породы должны перейти в жидкое состояние. Правда, внутри Земли огромное давление, и мы ничего не знаем о состоянии тел при подобных давлениях. Тем не менее у нас нет никаких данных утверждать, что температура с глубиной непрерывно возрастает. Сейчас большинство геофизиков приходит к выводу о том, что температура внутри Земли вряд ли может быть больше 2000°.
Источники тепла. Что касается источников тепла, обусловливающих внутреннюю температуру Земли, то они могут быть различны. Исходя из гипотез, которые считают Землю образовавшейся из раскаленной и расплавленной массы, внутреннее тепло нужно считать остаточным теплом стывающего с поверхности тела. Однако есть основания полагать, что причиной внутренней высокой температуры Земли может быть радиоактивный распад урана, тория, актиноурана, калия и других элементов, содержащихся в горных породах. Радиоактивные элементы большей частью распространены в кислых породах поверхностной оболочки Земли, меньше их встречается в глубинных основных породах. В то же время основные породы богаче ими, чем железные метеориты, которые считаются обломками внутренних частей космических тел.
Несмотря на небольшое количество радиоактивных веществ в горных породах и медленный их распад, общее количество тепла, получающееся за счет радиоактивного распада, велико. Советский геолог В. Г. Хлопин подсчитал, что радиоактивных элементов, содержащихся в верхней 90-километровой оболочке Земли достаточно, чтобы покрыть потерю тепла планеты путем лучеиспускания. Наряду с радиоактивным распадом тепловая энергия выделяется при сжатии вещества Земли, при химических реакциях и т, п.
Здесь опубликована динамика изменения зимних (2012-13г.г.) температур земли на глубине 130 сантиметров под домом (под внутренним краем фундамента), а также - на уровне земли и температуры воды, идущей из скважины. Всё это - на стояке, идущем из скважины.График - внизу статьи.
Дача (на границе Новой Москвы и Калужской области) зимняя, периодического посещения (2-4 раза в месяц по паре дней).
Отмостка и цоколь дома - не утеплены, еще с осени закрыты теплоизолирующими затычками (10см. пены). Теплопотери веранды, куда выходит стояк в январе изменились. См. Примечание 10.
Измерения на глубине 130см производятся системой Кситал GSM (), дискрет - 0,5*С, доп. погрешность - около 0,3*С.
Датчик установлен в заваренной снизу 20мм трубке из ПНД возле стояка, (с внешней стороны теплоизоляции стояка, но внутри 110мм трубы).
По оси абсцисс - даты, по оси ординат - температуры.
Примечание 1:
Температуру воды в скважине, а также - на уровне земли под домом, прямо на стояке без воды тоже буду отслеживать, но только по приезду. Погрешность - около +-0,6*С.
Примечание 2:
Температура на уровне земли под домом, у стояка водопровода опускалась в отсутствии людей и воды уже до минус 5*С. Это говорит о том, что я не зря сделал систему - Кстати, термостат, показавший -5*С - как раз от этой системы (RT-12-16).
Примечание 3:
Температура воды "в скважине" меряется тем же датчиком (он же - в Примечании 2), что и "на уровне земли" - он стоит прямо на стояке под теплоизоляцией, вплотную к стояку на уровне земли. Эти два измерения производятся в разные моменты времени. "На уровне земли" - до закачки воды в стояк и "в скважине" - после прокачки примерно 50-ти литров в течение получаса с перерывами.
Примечание 4:
Температура воды в скважине может быть несколько занижена, т.к. я не могу искать эту долбаную асимптоту, бесконечно качая воду (моя )... Как умею - так играю.
Примечание 5: Не актуально, удалил.
Примечание 6:
Погрешность фиксации уличной температуры примерно +-(3-7)*С.
Примечание 7:
Скорость остывания воды на уровне земли (без включения насоса) очень приблизительно 1-2*С в час (это - при минус 5*С на уровне земли).
Примечание 8:
Забыл описать, как у меня устроен и утеплен подземный стояк. На ПНД-32 надето два чулка утеплителя в сумме - 2см. толщины (видимо, вспененный полиэтилен), всё это вставлено в 110мм канализационную трубу и там запенено до глубины 130см. Правда, поскольку ПНД-32 шла не по центру 110-ой трубы, а также то, что в своей середине масса обычной пены может долго не застывать, а значит - не превращаться в утеплитель, то в качестве такого дополнительного утепления я сильно сомневаюсь... Наверное, было бы лучше использовать двухкомпонентную пену, о существовании которой я узнал только позже...
Примечание 9:
Хочу обратить внимание читателей на измерение температуры "На уровне земли" от 12.01.2013г. и от 18.01.2013г. Здесь, по моему мнению, величина в +0,3*С заметно выше ожидаемой. Думаю, что это - следствие операции "Засыпка снегом цоколя у стояка", проведенная 31.12.2012г.
Примечание 10:
С 12 января по 3 февраля произвел дополнительное утепление веранды, куда выходит подземный стояк.
В результате по приблизительным прикидкам теплопотери веранды были снижены со 100 Вт/кв.м. пола до примерно 50 (это - при минус 20*С на улице).
Отразилось это и на графиках. См. температуру на уровне земли 9 февраля: +1,4*С и 16 февраля: +1,1 - таких высоких температур еще не было с начала реальной зимы.
И еще: с 4 по 16 февраля впервые за две зимы с воскресенья по пятницу котел не включался для поддержания установленного минимума температуры потому, что она не дошла до этого минимума...
Примечание 11:
Как и обещал (для "порядка" и для завершения годового цикла) буду периодически публиковать температуры летом. Но - не в графике, чтобы зиму не "затенять", а здесь, в Примечании-11.
11 мая 2013г.
Продухи после 3-х недель проветривания закрыл до осени во избежание отложения конденсата.
13 мая 2013г. (на улице уже неделю +25-30*С):
- под домом на уровне земли +10,5*С,
- под домом на глубине 130см. +6*С,
12 июня 2013г.:
- под домом на уровне земли +14,5*С,
- под домом на глубине 130см. +10*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +8*С.
26 июня 2013г.:
- под домом на уровне земли +16*С,
- под домом на глубине 130см. +11*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +9,3*С.
19 августа 2013г.:
- под домом на уровне земли +15,5*С,
- под домом на глубине 130см. +13,5*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +9,0*С.
28 сентября 2013г.:
- под домом на уровне земли +10,3*С,
- под домом на глубине 130см. +12*С.
- вода в скважине с глубины 25м =+8,0*С.
26 октября 2013г.:
- под домом на уровне земли +8,5*С,
- под домом на глубине 130см. +9,5*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +7,5*С.
16 ноября 2013г.:
- под домом на уровне земли +7,5*С,
- под домом на глубине 130см. +9,0*С.
- вода в скважине с глубины 25м +7,5*С.
20 февраля 2014г.:
Наверно, это последняя запись в этой статье.
Всю зиму живем в доме постоянно, смысл в повторении прошлогодних измерений - небольшой, поэтому только две существенные цифры:
- минимальная температура под домом на уровне земли в самые морозы (-20 - -30*С) через неделю после их начала неоднократно опускалась ниже +0,5*С. В эти моменты у меня срабатывала
Температура грунта непрерывно изменяется по глубине и во времени. Она зависит от целого ряда факторов, из которых многие трудно поддаются учету. К последним, например, относится: характер растительности, экспозиция склона по сторонам света, затененность, снеговой покров, характер самих грунтов, наличие надмерзлотных вод и др. Однако температура грунта, как по величине, так и по характеру распределения сохраняется из года в год достаточно устойчиво, и решающее влияние здесь остается за температурой воздуха.
Температура грунта на разных глубинах и в различные периоды года может быть получена непосредственными измерениями в термоскважинах, которые закладываются в процессе изысканий. Но такой способ требует длительных наблюдений и значительных расходов, что не всегда оправдано. Полученные по одной-двум скважинам данные распространяются на большие площади и протяжения, значительно искажая действительность так, что расчетные данные о температуре грунта во многих случаях оказываются более надежными.
Температура грунта вечномерзлой толщи на любой глубине (до 10 м от поверхности) и на любой период года может быть определена по формуле:
tr = mt°, (3.7)
где z – глубина, отсчитываемая от ВГМ, м;
tr – температура грунта на глубине z, в град.
τr– время равное году (8760 ч);
τ - время, отсчитываемое вперед (через 1 января) от момента начала осеннего замерзания грунта до момента, для которого ведется отсчет температуры, в ч;
еxp х – экспонента (показательная функция exp берется по таблицам);
m – коэффициент, зависящий от периода года (для периода октябрь – май m = 1,5-0,05z, а для периода июнь- сентябрь m = 1)
Самая низкая температура на заданной глубине будет тогда, когда косинус в формуле (3.7) станет равным -1, т. е. минимальная температура грунта за год на данной глубине составит
tr мин = (1,5-0,05z) t°, (3.8)
Максимальная температура грунта на глубине z ,будет тогда, когда косинус примет значение, равное единице т.е.
tr макс = t°, (3.9)
Во всех трех формулах значение объемной теплоемкости С м следует рассчитывать для температуры грунта t° по формуле (3.10).
С 1 м = 1/W, (3.10)
Температуру грунта в слое сезонного оттаивания можно также определить расчетом, приняв во внимание, что изменение температуры в этом слое достаточно точно апроксимируется линейной зависимостью при следующих температурных градиентах (табл.3.1).
Рассчитав по одной из формул (3.8) – (3.9) температуру грунта на уровне ВГМ, т.е. положив в формулах Z=0, затем с помощью таблицы 3.1 определяем температуру грунта на заданной глубине в слое сезонного оттаивания. В самых верхних слоях грунта, примерно до 1 м от поверхности, характер температурных колебаний очень сложен.
Таблица 3.1
Температурный градиент в слое сезонного оттаивания на глубине ниже 1 м от поверхности земли
Примечание. Знак градиента показан в направлении к дневной поверхности.
Чтобы получить расчетную температуру грунта в метровом слое от поверхности, можно поступить следующим образом. Вычислить температуру на глубине 1 м и температуру дневной поверхности грунта, а затем путем интерполяции по этим двум значениям определить температуру на заданной глубине.
Температуру на поверхности грунта t п в холодный период года можно принимать равной температуре воздуха. В летний период:
t п = 2+1,15 t в, (3.11)
где t п - температура на поверхности в град.
t в – температура воздуха в град.
Температура грунта при несливающейся криолитозоне рассчитывается иначе, чем при сливающейся. Практически можно считать, что температура на уровне ВГМ будет равна 0°С в течении всего года. Расчетную температуру грунта вечномерзлой толщи на заданной глубине можно определить интерполяцией, считая, что она меняется на глубине по линейному закону от t° на глубине 10 м до 0°С на глубине залегания ВГМ. Температуру в талом слое h т можно принимать от 0,5 до 1,5°С.
В слое сезонного промерзания h п температуру грунта можно вычислить так же, как для слоя сезонного оттаивания сливающейся криолитозоны, т.е. в слое h п – 1 м по температурному градиенту (табл. 3.1), считая температуру на глубине h п равной 0°С в холодный период года и 1°С в летнее время. В верхнем метровом слое грунта температура определяется по интерполяции между температурой на глубине 1 м и температурой на поверхности.
Фото: «NesjavellirPowerPlant edit2» участника Gretar Ívarsson / https://commons.wikimedia.org/wiki/ 25 мая 2015 / Теги:В городе Эспоо через два года будет запущена первая в Финляндии геотермальная электростанция. Финские инженеры планируют использовать естественное тепло земных недр для обогрева зданий. И если эксперимент будет успешным, то подобные теплоцентрали можно возводить повсеместно, например, в Ленинградской области. Вопрос в том, насколько это выгодно.
Использование энергии Земли - идея не новая. Естественно, за ее реализацию прежде всего взялись жители тех регионов, где сама природа создала “паровые машины”. Так, например, еще в 1904 году итальянский князь Пьеро Джинори Конти зажег четыре электролампочки, поместив турбинку с электрогенератором вблизи природного выхода разогретого пара из земли, в регионе Лардерелло (Тоскана).
Спустя девять лет, в 1913 году, там же была запущена первая коммерческая геотермальная станция мощностью 250 киловатт. Станция использовала самый выгодный, но, к сожалению, редко встречающийся ресурс — сухой перегретый пар, который можно встретить лишь в недрах вулканических массивов. Но, на самом деле, жар Земли можно найти не только близ огнедышащих гор. Он есть повсеместно, под нашими ногами.
Недра планеты раскалены до нескольких тысяч градусов. Ученые до сих пор не выяснили, вследствие каких процессов наша планета в течение нескольких миллиардов лет хранит в себе гигантское количество тепла, и невозможно оценить, на сколько миллиардов лет его хватит. Достоверно известно, что при погружении на каждые 100 метров вглубь земли температура пород повышается в среднем на 3 градуса. В среднем — это значит, что есть места на планете, где температура повышается на полградуса, а где-то — и на 15 градусов. И это — не зоны активного вулканизма.
Температурный градиент, разумеется, увеличивается неравномерно. Финские специалисты рассчитывают достичь на глубине 7 км зоны, в которой температура пород составит 120 градусов Цельсия, притом что температурный градиент в Эспоо примерно 1,7 градуса на 100 метров, а это даже ниже среднего уровня. И, тем не менее, это уже достаточная температура для запуска геотермальной теплоцентрали.
Суть системы, в принципе, проста. Бурятся две скважины на расстоянии в несколько сот метров друг от друга. Между ними в нижней части нагнетают под давлением воду, чтобы разорвать пласты и создать меж ними систему проницаемых трещин. Технология отработана: подобным способом сейчас добывают сланцевую нефть и газ.
Затем в одну из скважин закачивают воду с поверхности, а из второй — наоборот, откачивают. Вода идет по трещинам среди раскаленных пород, и затем поступает по второй скважине на поверхность, где передает тепло обычной городской теплоцентрали. Такие системы уже были запущены в США, в настоящее время идут разработки в Австралии и странах Европейского союза.
Фото: www.facepla.net (скриншот)
Мало того — тепла хватит, чтобы запустить выработку электроэнергии. Приоритет в разработке низкотемпературной геотермальной энергетики принадлежит советским ученым — именно они более полувека назад решили вопрос использования такой энергии на Камчатке. Ученые предложили использовать в качестве кипящего теплоносителя органическую жидкость — фреон12, у которой точка кипения при нормальном атмосферном давлении — минус 30 градусов. Вода из скважины температурой в 80 градусов Цельсия передавала свое тепло фреону, который вращал турбины. Первой в мире электростанцией, работающей с водой такой температуры, стала Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, построенная в 1967 году.
Достоинства такой схемы очевидны — в любой точке Земли человечество сможет обеспечить себя теплом и электроэнергией, даже если погаснет Солнце. В толще земной коры запасена огромная энергия, более чем в 10 тысяч раз превышающая все топливопотребление современной цивилизации в год. И эта энергия постоянно возобновляется за счет притока тепла из недр планеты. Современные технологии позволяют добывать этот вид энергии.
Интересные места для строительства подобных геотермальных электростанций есть и в Ленинградской области. Выражение "Питер стоит на болоте" применимо лишь с позиции строительства малоэтажных объектов, а с точки зрения "большой геологии" — осадочный чехол в окрестностях Петербурга достаточно тонок, всего десятки метров, а затем берут свое начало, как и в Финляндии, коренные магматические породы. Этот скальный щит неоднороден: он испещрен разломами, по некоторым из которых поднимается наверх тепловой поток.
Первыми на это явление обратили внимание ботаники, которые нашли на Карельском перешейке и на Ижорском плато островки тепла, где произрастают растения либо с высокой скоростью воспроизводства, либо относящиеся к более южным ботаническим подзонам. А под Гатчиной и вовсе обнаружена ботаническая аномалия — растения альпийско-карпатской флоры. Растения существуют благодаря тепловым потокам, идущим из-под земли.
По результатам бурения в районе Пулково на глубине 1000 метров температура кристаллических пород составила плюс 30 градусов, то есть в среднем она повышалась на 3 градуса каждые 100 метров. Это "средний" уровень температурного градиента, но он почти в два раза больше, чем в районе Эспоо, в Финляндии. Это означает, что в Пулково достаточно пробурить скважину на глубину всего лишь до 3500 метров, соответственно, такая теплоцентраль обойдется гораздо дешевле, чем в Эспоо.
Стоит учесть, что срок окупаемости подобных станций зависит также и от тарифов на теплоснабжение и электроэнергию для потребителей в этой стране или региона. В мае 2015 года тариф для многоквартирных домов без электрического отопления от компании Helsingin Energia составлял 6,19 евроцента за кВт*ч, с электрическим отоплением, соответственно, — 7,12 евроцентра за кВт*ч (в дневное время). По сравнению с тарифами Санкт-Петербурга, разница для тех, кто использует электричество и для отопления, составляет около 40%, при этом еще надо учитывать игры курсов. Столь невысокая цена на электричество в Финляндии связана, в том числе, с тем, что страна имеет собственные атомные генерирующие мощности.
А вот в Латвии, которая вынуждена постоянно закупать электроэнергию и топливо, отпускная цена электроэнергии практически вдвое выше , чем в Финляндии. Однако финны полны решимости построить станцию в Эспоо, в не самом удачном по геотермическому градиенту месте.
Дело в том, что геотермальная энергетика требует долгосрочных инвестиций. В этом смысле она ближе к крупной гидроэнергетике и атомной энергетике. ГеоТЭС гораздо сложнее возвести, чем солнечную или ветростанцию. И нужно быть уверенными, что политики не начнут играть с ценами и правила не будут меняться на ходу.
Поэтому финны и решаются на этот важный промышленный эксперимент. Если им удастся осуществить задуманное, и хотя бы для начала обогреть своих жителей теплом, которое никогда не кончится (даже в масштабах вообще жизни на нашей планете) — это позволит задуматься о будущем геотермальной энергетики и на обширных российских просторах. Сейчас в России греются теплом Земли на Камчатке и в Дагестане, но, возможно, настанет и время Пулково.
Константин Ранкс
Для моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.
Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.
Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:
- Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.
Таблица 1
- Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР
Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:
Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:
Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.
Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.
Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.
Если Вы знаете ещё способы определения температуры грунта на заданной глубине, то, пожалуйста, пишите комментарии.
Возможно Вам будет интересен следующий материал:
