ي. حرارة التربة
1- أهمية حرارة التربة
إن لحرارة التربة، ونمط تغيرها في الزمان والمكان، تأثير كبير في العمليات، الفيزيائية والكيماوية والبيولوجية، في نظام التربة[1]. ويمكن إيجاز تأثير حرارة التربة، في النقاط التالية:
أ- تحكم درجة حرارة التربة في سرعة التفاعلات الكيماوية التي تحدث في التربة، مثل تحلل المعادن في المحلول المائي. وكلما ازدادت تلك الحرارة، ازدادت سرعة تفاعلات التحلل، لكل من المعادن، والمادة العضوية في التربة.
ب- تؤثر درجة حرارة التربة في ذائبية غاز ثاني أكسيد الكربون CO2، في محلول التربة، إذ كلما ازدادت تلك الحرارة، قلت ذائبيته. ولثاني أكسيد الكربون، الذائب في المحلول المائي، دور كبير في بقية التفاعلات الكيماوية في محلول التربة؛ فهو يؤثر في حموضة المحلول، أو في تركّز كاتيون الهيدروجين H+ فيه؛ كما توضحه سلسلة التفاعلات الكيماوية التالية:
H2O
مــــاء
H2O
مــــاء
+
CO2
ثاني أكسيد كربون ذائب
H2O
مــــاء
ج- يؤدي تذبذب حرارة التربة، انكماش معادنها وتمددها، بدرجات متفاوتة؛ ما ينجم عنه تجوية ميكانيكية[2]، تغير قوام التربة وخصائصها.
د- تؤثر حرارة التربة في النشاط الحيوي، سواء كان نباتياً أو حيوانياً؛ فإذا انخفضت درجة حرارة التربة عن الصفر الحيوي، أو ما يقارب الخمس درجات مئوية، فوق الصفر، توقف النشاط الحيوي في التربة.
2- آلية انتقال الحرارة في التربة Mechanism of Heat Transfer
تنتقل الحرارة في التربة، من الأجسام الأكثر حرارة، إلى الأجسام الأقل حرارة، بطرائق ثلاث، هي:
أ- انتقال الطاقة الحرارية، بالتوصيل Heat Conduction
في عملية انتقال الحرارة، بالتوصيل، تنتقل الطاقة خلال المادة، نتيجة لنشاط جزيئاتها، من الجزء الأعلى حرارة، إلى الجزء الأقل حرارة. لذلك، يتوقف معدل انتقال الحرارة، بالتوصيل، على نوعية المادة الموصلة، ومدى اختلاف درجة الحرارة بين النقطتين، اللتين تتدفق بينهما الطاقة الحرارية.
ب- انتقال الطاقة الحرارية، بالحمل Heat Convction
تتمثل هذه الطريقة في انتقال جسم حامل للطاقة الحرارية، من مكانه إلى مكان آخر. وهو ما تحققه، في نظام التربة، السوائل والغازات، التي تتحرك فيها، من خلال مسامها. فحينما تسقط الأمطار، مثلاً، على سطح التربة، ثم تتغلغل في مسامها، فإنها تحمل جزءاً من الطاقة الحرارية، من الجزء العلوي من التربة إلى جزئها السفلي.
ج- انتقال الحرارة، بالإشعاع Heat Radiation
بهذه الآلية، تنتقل الطاقة من جسم أكثر حرارة، إلى جسم أقل حرارة، من دون أن يتماسّا أو يتحركا؛ إذ إن الطاقة الحرارية لجسم معين، تتحول إلى طاقة كهرومغناطيسية، على السطح، تنقلها الموجات الإشعاعية، في الفراغ؛ وتتحول إلى طاقة حرارية، عندما تصطدم بسطح جسم آخر.
3- السعة الحرارية الحجمية للتربة Volumetric Heat Capacity
تعرف سعة التربة الحرارية الحجمية، بأنها مقدار التغير في محتوى الطاقة الحرارية، لوحدة الحجم الظاهري للتربة، لكل وحدة تغير في درجة الحرارة. ويعبر عنها، عادة، إما بالكالوري[3]، لكل سنتيمتر مكعب، لكل درجة حرارة مطلقة (كالوري/سم3 Kْ)، أو بالجول Joul، لكل متر مكعب، لكل درجة مطلقة (جول/سم3K ْ). وتعتمد تلك السعة على كل من مكونات الطور الصلب للتربة (المعادن والمواد العضوية)، ومساميتها، ومحتواها من الرطوبة. وتحسب قيمة السعة الحرارية الحجمية للتربة، بتجميع السعات الحرارية لمكوناتها المختلفة، موزونة وفقاً لأحجامها الجزئية؛ كما في المعادلة التالية:
C = ? fsi Csi + fw Cw + fa Ca
C = السعة الحرارية الحجمية للتربة (كالوري /سم3Kْ).
? = مجموع الأشياء التالية.
f = الحجم الجزيئي للطور.
a ، w ، s = مختصر اسم الطور: الصلب (s)، والسائل (w)، والغازي (a).
i = مكون i من مكونات الطور الصلب.
ومعظم المعادن المكونة للتربة متقاربة في كثافتها (نحو 2.65 جرام/سم3)، وسعتها الحرارية الحجمية (0.48 كالوري/سم3 Kْ). أما الماء، فكثافته أقل من نصف كثافة المعادن (1جرام/سم3)؛ ولكن سعته الحرارية أكثر من الضعف (1 كالوري/سم3 Kْ). أما مساهمة الطور الغازي في السعة الحرارية الحجمية للتربة، فهي هزيلة جداً؛ ويمكن تجاهلها، في بعض الحالات.
4- التوصيل الحراري للتربة Heat Conductivity
يعرف التوصيل الحراري للتربة، بأنه مقدار الطاقة الحرارية، المنقولة خلال وحدة مساحة معينة منها، خلال وحدة زمن، تحت فارق في درجة الحرارة، بين نقطتين متباعدين وحدة مسافة واحدة، مقدار درجة حرارة واحدة.
يسفر اختلاف مكونات التربة عن اختلافها في التوصيل الحراري. لذلك، يعتمد التوصيل الحراري للتربة، على أنواع المعادن المكونة لها، ومحتواها من المادة العضوية، ومساميتها، ومحتواها من الرطوبة؛ وهو متقلب بتقلب نسب الماء والهواء فيها. كما أن اختلاف تركيب التربة، في العمق، يجعل توصيلها الحراري متغيراً فيه. التوصيل الحراري للتربة، هو، إذاً، دالة من العمق والزمن.
5- النظام الحراري لقطاعات التربة
درجة حرارة التربة، ليست ثابتة؛ إنما تتغير باستمرار، استجابة للتغيرات المستمرة في الأحوال الجوية. ويتسم التغير المستمر لدرجة حرارة التربة، بالتعاقب الدوري المنتظم، على المدى اليومي، بين الليل والنهار؛ وعلى المدى السنوي، بين الصيف والشتاء. وهذه الدورات، اليومية والسنوية، لدرجة حرارة التربة، ليست على نمط ثابت تماماً؛ إنما يعتريها بعض التشوش، الناجم عن الظواهر العرضية، غير المنتظمة، مثل: الموجات الباردة، والموجات الدافئة، والتغييم، والعواصف الممطرة، والعواصف الثلجية، وفترات الجفاف. كما أن التغيرات في خواص التربة نفسها، تشوش نمط الدورة، اليومية والسنوية، لدرجة حرارتها. ومن أهم خواص التربة، ذات التغيرات المؤقتة: انعكاسية الأشعة من السطح، والسعة الحرارية، والتوصيل الحراري.
ويمكن تمثيل تذبذب درجة حرارة التربة، عند أعماقها المختلفة، كدالة توافقية خالصة من الزمن حول قيمة متوسطة (انظر شكل التغير النمطي لدرجة حرارة التربة). أما القطاع الحراري للتربة، في فصول السنة الأربعة، فيبدي ازدياداً لدرجة الحرارة في العمق، في فصلي الشتاء والخريف؛ تناقصها، في فصلي الصيف والربيع (انظر شكل قطاع درجة حرارة التربة).
[1] النظام System مصطلح لمفهوم جديد في العلوم الحديثة، ويقوم على النظرة الشمولية للأشياء بدلاً من دراسة الأشياء كل بمفرده. وقد برز لأول مرة في العلوم البيولوجية في السبعينيات من القرن العشرين، ومن ثم أخذت به بقية العلوم الأخرى. ويعرف النظام بأنه مجموعة من العناصر Objects كل عنصر منها يتأثر ببقية العناصر ويؤثر فيها إما بطريق مباشر أو غير مباشر. وإذا كان النظام المحدد يتبادل المادة أو الطاقة مع الأنظمة الأخرى المحيطة به أطلق عليه نظام مفتوحاً، وإن لم يكن كذلك أطلق عليه نظاماً مغلقاً. ونظام التربة مكون من المعادن والمواد العضوية ومحلول التبة وهواء التربة والنباتات والكائنات الحية الدقيقة في التربة. ويعد نظام التربة نظاماً مفتوحاً لأنه يتبادل كلاً من الطقاة والمادة مع الأنظمة الأخرى مثل الغلاف الغازي والطبقات الأرضية تحت قطاع التربة.
[2] التجوية الميكانيكية Mechanical Weathering: هي عملية تفتيت الصخور إلى أجزاء أصغر، بفعل الضغوط الميكانيكية.
[3] الكالوري Calorie: هو أحد وحدات قياس الطاقة الحرارية، ويعرف على أنه كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء، درجة مئوية واحدة.
العربية
