Земљиште - tesla.pmf.ni.ac.rstesla.pmf.ni.ac.rs/people/nesiclj/predavanja/... · 19 17....

1

Земљиште

2

УводДискутовали смо како атмосфера интерагује са сунчевимзрачењемИнтеракција са површином је напоменута кроз албедо, испаравање воде, зрачење земље. Површина земље није разматрана посебноона је комплексна јер је чине

океани,пустиње,градови, шуме, тундре/саване, ледене капе, ...сваки тип површине има свој албедо, степен испаравањаводе, степен размене гасова са атмосфером, ...

прво питање је везано за класификацију земљишта

3

Особине земљиштаОсобине делимо на

физичкемеханички састав (процентуални садржај честица различите величине(прах, песак, шљунак, муљ, глина))структурапорозностводни, ваздушни и топлотни режимбоја, ...

хемијскеналазе се скоро сви елементи периодног система

биолошкеу земљишту доминирају биљни организми али има и животињских

макрофлора и макрофауна – коренови системи и животиње које доприносеодржавање мрвичасте структуре земље. проветравању и дренажи (глодари, бубоједи, инсекти, глисте, ...)микрофлора и микрофауна – бактерије, гљиве, алге

4

Типови земљиштаЗемљиште се састоји од материје у три агрегатна стања-фазе:

чврстетечне игасовите

Чврста фаза земљишта је састављена одглине или неглиновитих минерала (од O2, Si, H2, Al, Ca, Na, K, Mg, C),соли иорганске материје (хумус) – остаци биљака и животиња у разнимфазама распадања/разлагања

хумус служи као храна за живе организмеу земљишту живи бројна популација животиња (црви, мрави, ларве, ...) и биљака (saprophyte: бактерије, гљиве)оне уситњавају хумус у растворљиве супстанце тако да може да будеапсорбован од стране корена већих биљака

5

Типови земљиштаЗемљиште секатегоризује према томеколико у себи садржи:

ваздух, воду, чврстеделове и хумус

Нека прва подела будепремапрема величинивеличини чврстихчврстихчестицачестица које чинеземљиштеУ табели је дат прегледтипучних величиначврстих честица

Пречникчестице (µm)

Шљунак >2000

Песак 60-2000

Муљ 2-60

Глина <2

6

Велики део земљишта се састоји одводе и ваздухаизмеђу 30 и 70% запремине земљиштасу поре које они попуњавају

7

Структура земљиштаПесак, муљ и глина су помешани а између “зрнаца” земље

се налазе поре. У њима је ваздух или водаМакропоре (велике поре) између скупина честица којесу испуњене ваздухом (>0.007цм) (гравитација “извлачи”воду)

Мезопоре (средње поре) испуњене водом у влажномземљишту и ваздухом у сувом(0.002 – 0.007 цм).

Микропоре (врло мале поре) између честица које чинескупине су испуњене водом(<0.002 цм) чак и у најсувљемземљишту.

1/4 цм

8

Састав земљиштачврсте материје, запремине Vs и масе ms

вода у течном стању, запремине Vt и масе mt

ваздух у гасовитом стању, запремине Vg изанемарљиве масе

9

Укупна запремина земљишта јеVu=Vs+Vt+Vg

Укупна маса земљишта јеmu=ms+mt

Коефицијент порозности ε се дефинише као односзапремине воде и ваздуха (запремина пора) и укупнезапремине земљишта

ε=(Vt+Vg)/VuОднос запремина празнина (пора) и запреминечврстог дела земљишта (e) је

e=(Vt+Vg)/Vs

10

густина чврстих честица ρs=ms/Vsсредња густина (сувог) тла ρsr=ms/Vu (1,1-1,6 g/cm3)део тла заузетом чврстим честицама јеVs/Vu=Vsms/(Vums)=(ms/Vu)/(ms/Vs)Vs/Vu=ρsr/ρsВећина минерала је направљена од чврстих честицасличних густина –густина им је око 2,6 g/cm3 = 2600 kg/m3.На основу тога је коефицијент порозности (ε - односзапремине воде и ваздуха и укупне запремине)

ε=(Vt+Vg)/Vu=(Vt+Vg+Vs-Vs)/Vu=Vu/Vu-Vs/Vu=1-ρsr/ρsε=1-ρsr/ρs=1-ρsr/2600

11

Слој тла Средња густина(kg/m3)

Коефицијентпорозности

Пешчар 2100 0.19

Пешчана иловача –доњи слој

1650 0.36

Пешчана иловача –слој за орање

1500 0.42

Плодна иловача –доњи слој

1450 0.44

Површински слој кадасе изоре

1100 0.58

12

Тло и количина воде у њему“Масена” количинаводе у тлу (удео)“волуметријскаколичина воде у тлу(запремински удео)Када дође дозасићења онда јеε=θV

u

vm

mm

=θ

u

vV

VV

=θ

13

Хоризонталнипроток воде –Дарсијев законфилтрирања

Закон који описујепроток воде крозпорозну средину

Претпоставка: цев хомогено испуњена земљиштем, површине попречног пресека S (m2) и дужине, ∆x = x2-x1 (m), са вертикалним цевима пуним воде на обакраја. На једном је висина h1 (m) а на другој h2 (m) изнад осецеви. Сматра се да при овоме вода у потпуности засићујеземљиште односно да испуњава све његове поре.

14

Под дејством гравитације, вода ће струјати са леве стране, где се налази на већој висини, на десну. 1856. (Dijon, France, Henry Darcy) Дарси је закључио да је запремински проток Q (m3/s), у оваквој ситуацији пропорционалан•површини цеви S (m2),•разлици у висинама водених стубова ∆h (m), •обрнуто пропорционалан дужини цеви ∆x (m). • ∆h/ ∆x – хидраулички градијентКоефицијент пропорционалности је хидрауличкапроводност, K(m/s):

xhKSQ

∆∆

−=

15

Тло и хидролошки циклусПролазак воде кроз тло је важан сегментхидролошког циклусаБитно је:

Колико воде има у тлуКако се креће кроз њега

Одговор на прво питање би могао да буде да јепорозност мера количине воде у тлуПажљивија анализа показује да воде има далекомање.

Зашто?

16

Тло и хидролошки циклусВода у великим порама и пукотинама(пречника већег од 60 микрометара) неможе да се задржи у тлуОбјашњење је у Хаген-Поазејевомзакону који дефинише проток кроз цев

1717. Новембар 2008

Физика 2008 17

Отпор струјању флуидафлуиди струје од места савећим притиском ка онимагде је притисак мањиR – отпорност струјањуфлуида

већа је код дужих цевивећа је ако је већавискозносттурбуленције је повећавајуповећање попречног пресекаје смањује



Отпор струјању флуида



Поазејев законОтпорност ламинарном протицањунестишљивог флуида, кроз хоризонталнуцев одређене дужине и попречногпресекапримери

вискозност уља у моторима опада сапорастом температуре – да би био истипроток када је хладан мора да обезбеди већипритисак него када је постигао раднутемпературукрвоток – проток крви се регулише променомвеличина крвних судова и променом притиска

при напорном раду крвни судови се издужују –доводи до повећања притиска – повећава седоток крвисмањење пресека суда смањује проток

смањење пречника од5% - на 0,95 величинесмањује проток на(0,95)4=0,81- односноза 19%!

20

Проток воде кроз цев зависи од њеног полупречника, вискозности воде и градијента притиска који пумпа воду даиде кроз цевQ−проток воде (у m3/s)Полупречник цеви rВискозност η у јединицама Pa sГрадијент притиска ∆P/∆x

21

Уочимо јаку зависност протока одполупречника цеви (четврти степен)Брзину протицања је пак тешко проценитијер поре кроз које пролази вода нису правеТипичне вредности брзина воде кроз порезрнастог песка (пречник пора око 1000 µm) суоко 108 пута веће од брзине воде кроз пореглине (пречник пора око 0,1 µm)

22

Постоји горња граница количине воде која може да сезадржи у тлу у дужем периоду – капацитивност тла/поља.То је вода која се налази у довољно малим порама такода трење и површински напон могу да се одупругравитационом деловању (које иначе изазива протокводе)Постоји и доња граница количине воде коју коренибиљака могу да екстрахују из тлаПреостала вода се налази у порама које су толико маледа корен не може да је извучеУ таквим ситуацијама биљке вену.

23

Површински напон и тлоОдређена количина воде је увек чврсто везана за тлоуслед ефекта површинског напона

На молекуле близу површине течности делује сила усмерена ка њенојунутрашњости – то је сила површинског напона

Подсетимо се прво ове физичке величине



Кохезија и адхезија у течностима –површински напон

привлачнемеђумолекуларне силеизмеђу молекула истеврсте – кохезионе

омогућују некиминсектима да ходају поповршини водеодговорне за облик капи

привлачнемеђумолекуларне силеизмеђу молекуларазличите врсте –адхезионе

држе капи воде напрозорском стаклу, налишћу биљака,





Кохезија и адхезија у течностима –површински напон

кохезионе силе – слободна површина течности сепонаша као затегнута гумаконтрахује се до најмање могуће површине -формира сферну кап ако је могућеефекат – површински напонмолекули који су унутра – окружени једнакимбројем суседа – сила је једнака нулиако је кап несферна – резултујућа силаприморава молекуле да заузму положаје тако даје слободна површина минимална - сфера.







Површински напон

за d > R молекул је потпуно окруженсуседима са којима интерагује па је Frez= 0за d < R молекул није у потпуности окруженсуседима, па онда није Frez= 0

Ова појава је последицамеђумолекуларних сила

Нека је d дубина флуида (растојање од слободнеповршине)

Rr

• интензивне на врло кратким растојањима (R=3r, сфера молекуларног дејства)• брзо опадају са растојањем



Површински напон-наставак

Течности теже да смање слободнуповршину. Капи уколико се самеформирају (без додатних утицаја – семгравитације) заузимају облик сфере (то језа дату масу тело најмање површине).

F



Површински напон - мерење

Опна има 2 стране!!!

• коефицијент површинског напона





Површински напон ствара притисак унутармехурова.услед тежње да слободна површина будешто мања, сабија гас унутар мехура иповећава му притисакдечији балон: када га надувамо и пустимо, испушта ваздух и креће се убрзано, највећеубрзање доживаљава када се сакупи нанајмању могућу величину => притисак јенајвећи када је површина најмањаКалибрисани притисак унутар мехура је



Последица: кад се сударемехури, ваздух из мањег уђеу већи и формира се јошвећи







Адхезија. Капиларне појавеЗашто вода лако клизи низ опрана и воскирана кола а низопрана и невоскирана теже?Одговор:

адхезионе силе између воска и воде су мање негоизмеђу воде и бојето доводи до различитих вредности углова квашења





Угао квашења за неке супстанце



Капиларнепојавекапиларе – узане цеви(пречник мањи од 1 милиметра) отворене на обакрајапојаве – услед разликакохезионих адхезионихсиланиво слободне површинеу капилари се не понашакао код спојеног суда –подиже се или спушта

ако течност “кваси” суд –подиже сеако “не кваси” спушта се

закривљена слободнаповршина - менискус



тежина

• висина на коју се подиже(спушта) течност је одређенаједнакошћу тежине стуба исиле површинског напона.

• укупна сила површинскогнапона која делује наслободну површину у капилари

45Физика 2008 45

Анализа израза за висину стуба укапилари

4646

Том притиску се супротставља силаповршинског напона

Након чега се добија за притисаккојим треба да се делује

• Претпоставимо да желимо да упумпамо упору воду делујући притиском P на њу

• Сила је једнака производу притиска иповршине попречног пресека цеви

47

Уколико нема спољашњегпритиска, овај изразрепрезентује тенденцијуводе да се креће дуж пораса влажнијег дела касувљем – капиларна сукцијаОд посебне важности јеситуација када се воденистуб услед површинскогнапона држи на неком нивоунасупрот деловању силетеже

48

Висина на којој се вода налазизависи од величине пора у тлу

шљунак ситан песак

49

Ниво подземнихвода: површ којаодзваја незаићенуобласт од областизасићене водомМери сеодређивањемнивоа воде убунарима

Нивоподземнихвода

Fig. 11.1

50

Осмоза и осмотски притисак

5151

Транспорт молекула. Дифузија, осмоза и други процеси

Атоми и молекули су у сталномкретању на свакој температури изнадапсолутне нуле. То кретање јехаотично и постоји чак и кад немамакроскопског струјања. Дифузија је пренос супстанце уследхаотичног молекуларног кретања. Флуиди, могу на овај начин да пролазекроз материју која је у чврстомагрегатном стању (димљење меса, ...)

5252

Транспорт молекула. Дифузија, осмоза и други процеси

Дифузија је спор процес јерсе стално дешавају судари. Средње растојање којемолекул може да пређе јепропорцинално квадратномкорену времена.

D je дифузиона константа запренос датих молекула кроздату средину

Dtxksk 2=

5353

D зависи од масе молекулаопада са повећањем масе – јер је брзина хаотичног кретањаобрнуто пропорционана маси молекула – масивнији молекулиспорије дифундују

зависи од средине – у води се судари дешавају чешће штоуспорава дифузијузависи од температуре

расте јер са порастом темепратуре расту и средње брзинекретања молекула

5454

Брзина и смердифузије

Кап боје у чашу чисте воде – слободна дифузија (немабаријере која би била препрека). Смер дифузије – од места веће концентрације ка месту мањеконцентрацијеБрзина дифундовања је пропорционална разлициконцентрација. Такође зависи и од особина средине, тј. оддифузионе констатнте D.

5555

Осмоза и дијализа-дифузија крозмембраненпр. хладан облог на отеклом чланку. водадифундује кроз кожу. разне супстанцедифундују кроз ћелијске мембране: кисеоникулази унутра, угљен диоксид излази, хранљиве материје улазе, штетне материјеизлазе, ...Мембрана је веома танка (65x10-10-100x10-10m), тако да је могућ транспорт материје.Мембран је полупропустљива. Неки типовиимају мале поре кроз које могу да прођу јединомали молекули, код других се молекулирастварају у мембрани па дифундују, ...

5656

5757

Осмоза и дијализа

Осмоза је транспорт водеводе крозполупропустљиву мембрану из области већеу област мање концентрације.Дијализа је пренос молекула неке другеврсте кроз полупропустљиву мембранууслед разлике у концентрацији тих молекула. И једна и друга врста процеса се дешавају убубрезима приликом пречишћавања крви.

5858

•Вода услед осмозе пролази са лева на десно, па њен ниво у десном делу суда расте. Онрасте све док хидростатички притисак не буде довољно велик да заустави даљу осмозу. Тајпритисак ρgh се назива осмотским притиском ако је један од раствора чиста вода илирелативним осмотским притиском ако ни један раствор није вода. Овај притисак можебити јако велик, нпр. ако су вода и морска вода одвојене полупропустљивом мембраном којане пропушта со, осмотски притисак је 25,9 атмосфера (261 метар!). Обрнута осмоза иобрнута дијализа су процеси у којима је повратни притисак довољно велики да окрене смерпроцеса осмозе и дијализе.

59

Иловача се понашакао полупропустљивамембранаИзмеђу два слоја водеса солима одвојенаиловачом може да сествори значајаносмотски притисак



Осмоза

61

ПотенцијалПотенцијал водеводе уу тлутлуОписОпис

МериМери енергетскиенергетски статусстатус водеводе уу тлутлуВажанВажан јеје показујепоказује коликиколики радрад биљкебиљке морајуморају дадаизвршеизврше дада биби екстраховалеекстраховале водуводу изиз тлатлаЈединицаЈединица јеје јединицајединица притискапритиска ((PaPa, , атмосфераатмосфера, ...), ...)ПотенцијалПотенцијал водеводе уу тлутлу јеје ““негативнинегативни притисакпритисак””ВодаВода струјиструји саса вишегвишег ((мањемање негативногнегативног) ) потенцијалапотенцијала кака нижемнижем ((вишевише негативномнегативном) ) потенцијалупотенцијалу

62

КомпонентеКомпоненте

ψψtt = = укупниукупни потенцијалпотенцијалψψgg = = гравитационигравитациони потенцијалпотенцијал ((силасила гравитацијегравитације вучевучеводуводу нана доледоле))ψψmm = = матричниматрични потенцијалпотенцијал тлатла ((силасила којомкојом ““матрицаматрица””тлатла делуједелује нана водуводу уу себисеби –– ““површинскиповршински”” напоннапон водеводеуу тлутлу))ψψoo = = осмотскиосмотски потенцијалпотенцијал ((изазванизазван разликомразликом ууконцентрацијиконцентрацији солисоли саса дведве странестране полупропустљивеполупропустљивемембранемембране ((уу коренукорену биљкебиљке))))МатричниМатрични потенцијалпотенцијал, , ψψmm, , обичнообично највишенајвише утичеутиче нана тотосаса коликоколико ћеће ““напоранапора”” биљкабиљка ““узетиузети”” водуводу изиз тлатла

ψ ψ ψ ψt g m o= + +ПотенцијалПотенцијал водеводе

63

Кретање воде од тла, кроз биљку у ваздухКретање воде од тла, кроз биљку у ваздух

Пара-85 kPa

Лишће-500 kPa

Киша, 0 kPa

Тло, -50 kPaТло, -50 kPa

Вода се креће од областивишег ка области нижегпритиска.

Корен извлачи воду из тласа којим је у контактусмањујући му влажност, ...

Приказане су типичневредности притиска атренутне варирају око тихвредности.

Процес траје док немапрекида у његовом ланцу

корен, -70 kPaкорен, -70 kPa

Атмосфера-20,000 kPa

64

Тло и сунцеИнтервали температуре се много разликују наЗемљиСезонске промене су веома велике нарочито уцентрима континената (нпр. -15 (зима) до +40 (лето)). – вода поседује термалну интертност. Зашто?Честе су и варијације од 10 степени у току данаЧак и веома мале варијације у топологији теренаутичу на температуре

65

Тло и сунцеНижи делови поља на којима се сејупољопривредне културе имају нижи принос(33-50%) од осталих делова поља јер јевероватнија појава мразаРазлике у температури ваздуха на површиниутичу на највише слојеве тла јер језемљиште слаб проводник топлоте – малавредност коефицијента топлотног провођењагодишње варијације температуре од 30оC уваздуху се смањују на 15оC на дубини од 1 метра и чак на 0,5оC на 8 метара дубине

66

Тло и сунцеПровођење топлоте кроз земљиште је такослабо да су температурски циклуси унутарњега супротни од сезонских варијација наповршиниНа северној хемисфери

на 3 метра дубине: минимална температура је у марту/априлу, а максимална у септембру/октобру

на 7 метара дубинеминимална температура је у августумаксимална у фебруару (са веома малим варијацијама! (0,5)

67

Тло и сунцеВелике области на Аљасци и у Сибиру (20% копнаЗемље) су под вечним ледомтло је залеђено толико да топлота коју ове областидобију преко лета нису довољне да отопе земљиште надубини већој од 1 метраИз тог разлога водени талози не могу да продру у земљуи ове области су преко лета мочварнедодатни проблем је што је нафту тешко пумпати крозцеви које леже у овим стално залеђеним областима јер јена ниским температурама вискозност нафте већа

68

Испаравање водеово је веома важан део хидролошког циклусаКада зрачење са Сунца падне на тло, већи деосе враћа назад у виду ИЦ зрачења. Остатак се дели на следећи начин

део се “одводи” у земљиште у процесу провођењатоплотедео се преда околном ваздухуоко 60% се предаје води на и у тлу и изазива њеноиспаравање

69

Испаравање водеиспарава вода из језера и из тлапроцес испаравања из тла се не може описатиједноставним изразима – зависи у великојмери од вегетацијеиспаравање из језера се може описатирелативно једноставно Пенмановомједначином која одређује брзину испаравањакаобрзина испаравања = aR+b(c0+c1v)DR – флукс зрачења које пада на тло, v – брзинаветра, D-сатурациони дефицит ваздуха

Земљиште - tesla.pmf.ni.ac.rstesla.pmf.ni.ac.rs/people/nesiclj/predavanja/... · 19 17....

Documents