Conditions frontières

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1 Conditions frontières
Flux thermique vers le sol

2 Régime thermique du sol
Principaux facteurs Bilan énergétique : énergie radiative transferts turbulents présence de végétation et de l’eau Autres sources de chaleur dans le sol Propriétés thermiques du sol

3 Bilan énergétique Radiation nette reçue à la surface
Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente La principale source d ’énergie provenant de l ’atmosphère est la radiation.

4 Bilan énergétique Mécanismes de transfert de l ’énergie Conduction
Convection Radiation Changements de phase La conduction est le mécanisme principal de transport de chaleur dans le sol

5 Régime thermique du sol
Autres sources de chaleur dans le sol La chaleur géothermique Déplacement de l ’air à travers le sol La vapeur d ’eau dans le sol (changements de phase) Percolation de l ’eau dans le sol (pluie)

6 Propriétés thermiques du sol
La densité,  : c’est la masse par unité de volume (kg m-3) La conductivité thermique,  : c’est la quantité de chaleur qui passe à travers une surface du sol par unité de temps et représente le flux de chaleur par unité de gradient vertical (W m-1 K-1). Le coefficient de chaleur spécifique c : La quantité de chaleur absorbée ou dégagée pendant un changement de température de 1°K (J kg-1 K-1). La capacité calorifique, C= c : est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter de 1 degré la température d’une unité de volume (m³) d’un corps (J K-1 m-3). La coefficient de diffusion thermique,  = /C : Cette propriété peut être vue comme étant une mesure de la facilité de propagation des changements de température dans le sol (m2 s-1)

7 Composition et densité du sol
Particules solides : minérales organiques Eau Air Densité, proportion volumique Mat. Organique Sable Argile Terreau article.cfm/19043/

8 Composition et densité du sol
En général, le sol est plus compact en profondeur qui proche de la surface mesure la porosité du sol et sa capacité à contenir de l’eau

9 Conductivité thermique
Dans le sol, la chaleur est transférée essentiellement par conduction moléculaire Les propriétés thermiques du sol dépendent des propriétés moléculaires de ses constituants

10 Conductivité thermique
Coefficient de conductivité des constituants Coefficient de conductivité du sol Facteur de forme terreau argile sable ARGILE (CLAY): particules dont le diamètre est inférieur 0,002 mm TERREAU (SILT) : particules dont le diamètre est compris entre 0,05 mm et 0,002 mm SABLE (SAND) : particules dont le diamètre est compris entre 0,05 mm et 2 mm

11 Texture et perméabilité des sols
A : zone très perméable B : zone perméable C : zone peu perméable D : zone imperméable

12 Texture et perméabilité des sols : Triangle des textures

13 Conductivité thermique en fonction de la teneur en eau


14 Conductivité thermique
Surface Sable sec 0,3 1,9 2,2 800 1260 1480 Neige vieille neuve 1,0 0,1

15 Capacité thermique par unité de volume des sols

16 Diffusivité thermique des sols
Du premier principe de la thermodynamique (6) Et pour un sol de composition homogène, à une dimenson : g (coefficient de diffusion thermique)

17 Diffusivité thermique en fonction de la teneur en eau et en argile
soilphysics.okstate.edu/. ../document.html.

18 Conduction de chaleur dans le sol
Le flux de chaleur dans le sol suit la loi de Fourier

19 Conduction de chaleur dans le sol
1) loi de Fourier 2) loi de conservation d’énergie pas de sources/puits de chaleur dans le sol Présence de sources/puits de chaleur dans le sol

20 flux vers le sol et variation de température dans le cas où il n ’y a pas e sources locales de chaleur 3 D 1 D (homogène)

21 Évolution de la température dans le sol

22 Solution de l’équation de transfert de chaleur
Conditions frontières Surface : En profondeur : Solution

23 Solution de l’équation de transfert de chaleur
- < z < 0 Distance de pénétration d Les variations rapides de température ne pénètrent pas aussi loin dans le sol que les variations lentes.

24 Solution de l’équation de transfert de chaleur
- < z < 0 Physique du sol : A. Mermoud T.R. Oke, Boundary Layer Climates

25 Variation de la température du sol en 24 h
- < z < 0

26 Variation annuelle de la température du sol
- < z < 0 Physique du sol : A. Mermoud T.R. Oke, Boundary Layer Climates

27 Flux de chaleur transférée au sol
- < z < 0

28 Flux de chaleur transférée au sol
- < z < 0 1 – À chaque niveau, l’évolution de la température est une onde sinusoïdale d’amplitude T0exp(z/d) 2 – La phase de l’onde est en retard par rapport à l’onde de surface de Δt = z/d 3 – La période de l’onde est indépendant de z 4 – Tous les niveau ont la même température moyenne Tmoy

29 Évolution diurne de la température de l ’eau
nuit jour S = QG > 0 : Pertes de chaleur pour la couche d'eau S = QG < 0 : Gains de chaleur pour la couche d'eau

30 Couche de mélange L ’épaisseur dépend de la turbulence : dynamique et thermique t0 t0 + t Vitesse(t0) < vitesse (t0 + t)

31 Profil de température moyenne

32 La neige

33 Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente
Oke, Boundary Layer Climates Température à la surface, à 0.2 m de profondeur et dans l ’atmosphère à un distance de la surface de 1.2 m. Agassiz, B.C. (49 N), sol nu et humide Bilan d ’énergie (MJm-2/jour) Termes dérivés Q*  = QE/QE rapport de Bowen QH QE/Q* 0.75 QE 13.4 QG 2.3

34 Température dans en environnement désertique
Oke, Boundary Layer Climates Sahara Central Desert.