Chapitre 6 - Flux de chaleur dans le sol Flashcards
Un sol humide est un sol froid ou chaud? (principalement au printemps)
Froid
Un sol fraichement labouré se réchauffe-t-il plus ou moins rapidement?
Plus rapidement
Au printemps, la végétation démarrera plus rapidement avec un sol ayant un albédo plus faible ou plus élevé?
Plus faible (couleur foncée)
À quoi sert l’énergie reçue par le sol?
LE, H et G (transfert dans le sol)
Quel sol est le meilleur conducteur de chaleur : un sol labouré ou un sol sous travail réduit?
Kh Sol tassé > Kh sol labouré
Écart thermique entre la surface du sol et une profondeur de 20 cm sera plus élevé dans un sol en semi direct ou un sol labouré?
Sol semis direct < sol labouré
(La température moyenne est similaire entre les sols, mais les amplitudes thermiques en surface seront très différentes)
5 éléments qu’influence la Température du sol
L’évaporation, l’aération, les types de réactions chimiques et leur taux
Processus biologique (germination, émergence, croissance, développement racinaire, activité microbienne)
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Pourquoi est-ce que T sol varie?
Changement dans les processus déchange d’énergie radiative, thermique et latente
Ceux-ci se produisant principalement au niveau de la surface du sol
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Les effets sont propagés dans le profil de sol par une suite complexe de processus de transport. Par quoi ceux-ci sont influencés?
(Au niveau de la T° du sol)
Les propriétés du sol
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Les propriétés du sol varient selon…
(2)
Le temps et dans l’espace
Ce qui complique tout quantification ou prédiction
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Pour prédire la T° du sol, on doit tenir compte de…
(2)
Conduction de chaleur d’une profondeur à une autre Variation du stock de chaleur (stockage, ∆S) dans le sol à une profondeur donnée
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
On peut décrire la densité de flux de chaleur à une profondeur (en régime permanent) par G (Wm-2) =
Formule
G = -kh (dT/dz)
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Toute chaleur entrant à une profondeur « z » doit sortir à une profondeur de … ou être…
« z + ∆z »
ou être emmagasinée dans l’horizon de sol
Figure diapo 15, p.8
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Formule du taux de stockage (ΔS)
Taux de stockage (ΔS) = ρs* ch* Δz(dT°/dt)
ρs : densité du sol, ch : capacité thermique, t :temps
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Plus la différence de gradient de T° (dT/dz) est grande entre 2 profondeurs adjacentes dans un sol, plus le taux de changement de T° (dT/dt) sera …
Grand
Figure diapo 17, p.9
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Formule du taux de stockage (ΔS) avec le taux réchauffement/ refroidissement
ΔS = Ch * Δz * (dT°/dt)
Inclus la capcité thermique volumique (Ch)
6.1 Transfert de chaleur dans le sol
Pour un sol argileux sec (Ch = 1,42 x 106 Jm-3K-1), si Δz = 0,5 m et que la chaleur entrant (φout) = 10 Wm-2, quel est le taux de réchauffement?
Calcul
dT°/dt = 0,46 Kh-1
Calcul diapo 18 p.9
Calcul : réponse
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Il est possible de contrôler ou modifier le régime thermique du sol si on connait …
(3)
Les processus impliqués
Les paramètres du sol
Les variables environnementales déterminant leur taux
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Les propriétés du sol ayant un déterminant dans le régime thermique :
(3.5)
- Conductivité thermique (kh)
- Capacité thermique (massique ch ; volumique Ch)
- Diffusivité thermique (Dh)
6.2 – Propriétés thermiques du sol
La conductivité thermique (kh), capacité thermique (massique ch ; volumique Ch) et diffusivité thermique (Dh) sont toutes affectées par …
la masse volumique apparente du sol et l’humidité de celui-ci
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Qu’est-ce que Kh (Wm-1K-1)?
aptitude, facilité d’une substance à conduire la chaleur par mouvement moléculaire
6.2 – Propriétés thermiques du sol
De quoi dépend le Kh?
(3)
- Conductivité des particules de sol
- Porosité du sol
- Teneur en eau du sol
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Une augmentation de la teneur en eau mène à une kh plus …
Important
élevée
Sable monte plus rapidement que loam et encore plus tourbe
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Une augmentation de la teneur en eau mène à une kh plus élevée parce que l’eau…
- Accroit le contact thermal entre les particules
- Remplace l’air dans les pores du sol et kh eau (0,59) est supérieur à kh air (0,0257)
Figure diapo 21, p.11
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Capacité thermique massique : symbole + définition
ch (Jkg-1K-1)
Apport de chaleur nécessaire pour élever la T° d’une unité de masse (kg) d’une substancce de 1K
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Capacité thermique volumique : symbole + définition
Ch (Jm-3K-1)
Quantité de chaleur (J) nécessaire pour élever la T° d’une unité de volume (m3) d’une substance de 1K
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Comment obtenir Ch en formule
Ch = ρs * ch
(kgm-3)*(Jkg-1K-1)=Jm-3K-1
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Définition Dh (m2s-1)
Aptitude d’une substance à diffuser les influences thermiques
Diffusivité thermique du sol
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Que détermine la Dh?
(1)
le taux de réchauffement dû à une distribution de chaleur donnée dans un matériau
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Que contrôle la Dh?
(2)
- Vitesse du mouvement des ondes de chaleur
- Profondeur de l’influence thermique d’une surface acitive
6.2 – Propriétés thermiques du sol
Quel est le ratio est la Dh?
Dh = kh / Ch
6.3 - Capacité thermique volumique
Définition capacité thermique volumique (Ch)
Aptitude d’un sol à emmagasiner de la chaleur; exprime le changement de T° qui résulte d’un gain ou d’une perte thermique
6.3 - Capacité thermique volumique
Ch se calcul à partir de la somme des … de chacun des constituants du sol
capacités thermiques
Ch = fminCmin + forgCorg + fwCw + faCa, f: fraction
6.3 - Capacité thermique volumique
Plus le contenu en eau est élevé, plus la capacité thermique volumique est …
Grande
6.3 - Capacité thermique volumique
Ca est très … par rapport aux autres constituants, elle est donc …
Ca : Capacité thermique volumique de l’air
Petite donc, négligeable
6.3 - Capacité thermique volumique
La capacité thermique volumique est fortement influencée par l’eau, car l’eau (Cw haut) remplace l’air (Cw faible). Il y a donc, … de la “sensisibilité” thermique du sol.
Il y a donc, RÉDUCTION de la “sensisibilité” thermique du sol.
Sol froid se réchauffre plus lentement
6.3 - Capacité thermique volumique
Capacité thermique volumique dépend surtout aux différences de masse volumique apparente, donc un sable a une Ch plus… que pour la tourbe.
Haute
Figure diapo 29, p.15
6.3 - Capacité thermique volumique
Valeur moyenne typique de Cmin, Corg et Cw
Les Ch
Cmin : 2,31
Corg : 2,50
Cw : 4,18 (eau)
6.4 - Diffusivité thermique du sol
Qu’est-ce que la Dh?
Temps nécessaire pour que les changements de T° se propagent dans le sol
Diffusivité thermique du sol
6.4 - Diffusivité thermique du sol
La diffusivité thermique (Dh) est proportionnel à … et inversement proportionnel à …
proportionnel à kh et
inversement proportionnel à Ch
6.4 - Diffusivité thermique du sol
Quantité de chaleur entrant dans le sol (jour) va générer une onde de T° qui va se déplacer rapidement et à une grande profondeur si la conductivité Kh est …
élevée
Dh est proportionnel à Kh
6.4 - Diffusivité thermique du sol
L’onde de T° sera lente et n’ira pas autant en profondeur s’il faut une grande quantité de chaleur pour chauffer les couches intermédiaires en raison d’une…
Capacité thermique volumique (Ch) élevée
Dh est inversement proportionnel à Ch
6.4 - Diffusivité thermique du sol
Plus il y a de l’eau plus la diffusivité thermique (Dh) de sols est …
Faible
Figure diapo 34, p.17
6.4 - Diffusivité thermique du sol
Que permet une Dh élevée?
Permet une propagation rapide des changements de T° à la surface –> affecte donc une couche épaisse de sol
Comme de l’argile
6.4 - Diffusivité thermique du sol
Que permet une Dh petite?
Échanges thermiques sont concentrés dans les horizons près de la surface –> un tel sol subit de plus grandes fluctuations diurnes de T°.
Comme une tourbe
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Variation de la T° à la surface et près de la surface possède la nature d’une onde. Cette onde pénètre dans le sol vers les horizons plus profonds mais son amplitude … et le temps de Tmax et Tmin est …
Cette onde pénètre dans le sol vers les horizons plus profonds mais son amplitude DIMINUE et le temps de Tmax et Tmin est DÉPHASÉ.
Figure diapo 38, p.19
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Représentation schématique de l’onde de chaleur
Diapo 39-42, p.20-21
S’assurer une bonne compréhension
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Onde de T° : facteurs affectant le régime thermique dans les profils de sol
(7)
- Cycle journaliers (jour vs nuit)
- Saison
- Phénomène épisodiques (nuages, …)
- Variation spatio-temporelle des propriétés du sol
- Localisation géographique
- Couverture végétale
- Utilisation du territoire
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Pour quelle période de temps peut t’on supposer que Tsol oscille autour d’une valeur moyenne de T° selon une fonction sinusoïdale du temps?
Approximation d’une fluctuation diurne du régime thermique d’un profil de sol
Pour 24h, figure diapo 44, p.22
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Équation décrivant une fluctuation de T° à la surface
Au temps t=0 supposons que la T° est à la T° moy, alors la T° surface
T(0,t) = Tmoy + A0 * sin * wt
où T(0,t) = T ° à z = 0m (surface)
A0 = amplitude de la fluctuation T° surface
w = fréquence angulaire (en radians 2pi/τ)
τ = période d,oscillation –> 24hrs, 365 jrs
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
La T° du sol varie différemment à différentes profondeurs dans le sol, on peut supposer que la T° moyenne …
est la même pour toutes les profondeurs
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Formule de la T° du sol à une profondeur z donnée
T(z,t) = Tmoy + [A0 * e^(-z/d) * sin (wt-z/d)]
L’amplitude est plus petite que A0 par un facteur de e^(-z/d); délai de propagation égal à -z/d –> sin (wt-z/d)
d : profondeur d’atténuation (m) à laquelle l’A de T° = 0,37 A0
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Pourquoi y a-t-il une atténuation et décalage (prodondeur d’atténuation)?
Reliée au fait qu’une certaine quantité de chaleur est absorbée (ou libérée) tout au long de la trajectoire de l’onde de chaleur lorsque la T° du sol augmente (ou diminue)
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
La profondeur d’atténuation (d) varie avec…
(3)
Les propritétés physiques du sol
Humidité du sol
Fréquence de la fluctuation thermique
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
La d varie avec les propriétés physiques du sol, humidité et fréquence de la fluctuation thermique selon quelle formule?
(2)
d = ((2kh)/(Chw))^1/2 = ((2Dh)/(w))^1/2
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Régime thermique annuel est similaire au régime diurne sauf …
Régime thermique diurne et annuel
la période (τ) de l’onde qui est annuelle
Figure diapo 53, p.27
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Période plus longue (365 jours) –> amplitude de l’onde diminue … vite avec la profondeur et l’horizon affecté par l’onde est beaucoup … profond.
Régime thermique diurne et annuel
Période plus longue (365 jours) –> amplitude de l’onde diminue MOINS vite avec la profondeur et l’horizon affecté par l’onde est beaucoup PLUS profond (environ 19 fois).
Figure diapo 53, p.27
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
On doit tenir compte de l’effet … des variation diurnes et annuelles de Tsol.
Régime thermique diurne et annuel
Combiné
Figure diapo 53, p.27
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
En saison chaude, Tsol … avec la profondeur et le flux de chaleur vers le bas … le réservoir de chaleur dans le sol
Variation saisonnière du profil T sol
En saison chaude, Tsol DIMiNUE avec la profondeur et le flux de chaleur vers le bas AUGMENTE le réservoir de chaleur dans le sol
Figure diapo 54, p.27
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
En saison froide, le gradient est …, et le réservoir de chaleur …
Variation saisonnière du profil T sol
En saison froide, le gradient est INVERSÉ, et le réservoir de chaleur DIMINUE
Figure diapo 54, p.27
6.5 - Onde de chaleur (onde de T°)
Au printemps et à l’automne : période transitoires alors que le gradient de T° du sol …
Variation saisonnière du profil T sol
change de signe (s’inverse)
Figure diapo 54, p.27
6.6 - Modification du régime thermique
Impact de la neige en surface
(2)
Un excellent réflecteur du rayonnement solaire
Un excellent isolant
6.6 - Modification du régime thermique
Pourquoi est-ce que mettre du paillis aide à diminuer le rapport G/H (flux de chaleur dans le sol et l’air)
Longue réponse, s’assurer d’avoir écouter dans le cours pour comprendre:
Impact au niveau du Rl (+ grande perte d’énergie)
Impact au niveau du LE (- que nu, + que plastique)
6.6 - Modification du régime thermique
Pourquoi est-ce qu’un polyéthylène transparent est aussi utile? même plus que du noir?
Le sol se réchauffe et la chaleur est trappé (effet de serre).
Pas de convection
Pellicule - chaude que le noir
