Conditions frontières Flux thermique vers le sol

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

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.

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

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)

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)

Composition et densité du sol Particules solides : minérales organiques Eau Air Densité, proportion volumique Mat. Organique Sable Argile Terreau www.suite101.com/ article.cfm/19043/109861.

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

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

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

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

Texture et perméabilité des sols : Triangle des textures http://fr.wikipedia.org/wiki/Texture_du_sol

Conductivité thermique en fonction de la teneur en eau  http://www.unige.ch/cyberdocuments/theses2002/HollmullerP/

Conductivité thermique Surface Sable sec 0,3 1,9 2,2 800 1260 1480 Neige vieille neuve 1,0 0,1 2090 2090

Capacité thermique par unité de volume des sols

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)

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

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

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

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)

Évolution de la température dans le sol

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

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.

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

Variation de la température du sol en 24 h - < z < 0 http://www.fao.org/docrep/T0455E/T0455E1F.GIF http://www.atmos.umd.edu/~meto617/soil.html

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

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

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

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

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

Profil de température moyenne http://waterontheweb.org/curricula/bs/student/water/temp.gif

La neige

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* 18.0  = QE/QE 0.17 rapport de Bowen QH 2.3 QE/Q* 0.75 QE 13.4 QG 2.3

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