Силы, определяющие состояние воды в почве

Парообразная и жидкая вода, поступающая в почву, подвергаются воздействию различных сил: сорбционных, капиллярных, гравитационных и осмотических.

Сорбционные силы. Почва как дисперсная система имеет развитую удельную поверхность, с которой тесно связано проявление свободной поверхностной энергии. Свободная поверхностная энергия возникает при формировании мелкозема, особенно его илистой и коллоидной частей. Энергия ионов, атомов и молекул, связанных в кристаллических решетках минералов, уравновешена. При дроблении и диспергировании минералов часть ионов, атомов и молекул выходит на поверхность и оказывается под действием неуравновешенных сил. Их энергия становится некомпенсированной, т. е. образуется свободная поверхностная энергия. Чем выше степень дисперсности почвы, тем больше величина ее свободной поверхностной энергии.

При необратимых термодинамических процессах, совершающихся на земной поверхности, согласно второму закону термодинамики дисперсные системы стремятся уменьшить свою поверхность и соответственно свободную поверхностную энергию. Это осуществляется двумя путями. В первом случаев результате снижения агрегативной устойчивости дисперсной системы, что ведет к слипанию частиц и уменьшению удельной поверхности. Во втором случае уменьшение величины свободной поверхностной энергии происходит без изменения степени дисперсности системы вследствие поглощения твердыми частицами газов, паров, а также молекул и ионов из растворов, которые насыщают неуравновешенные силы на их поверхности. Такое явление называют адсорбцией.

Изсмеси газов и паров поверхностью частиц преимущественно поглощается тот компонент, адсорбция которого сопровождается максимальным уменьшением свободной энергии, т. е. который лучше «смачивает» твердую поверхность. для почв таким компонентом служит водяной пар, поэтому поверхность частиц твердой фазы почвы, находящихся в соприкосновении с атмосферным воздухом, представляющим собой смесь газов и паров, обычно покрыта слоем молекул воды, а не молекул азота или кислорода, несмотря на то, что парциальное давление этих газов в воздухе выше, чем давление водяного пара. По мере увеличения количества адсорбированного водяного пара (увеличения влажности почвы) количество адсорбированного воздуха резко уменьшается и доходит до нуля.

Явление смачивания наблюдается и при соприкосновения жидкой фазы с поверхностью твердых частиц почвы. Смачивание происходит благодаря тому, что взаимодействие между молекулами воды слабее, чем притяжение их к поверхности почвенных частиц. Поэтому, соприкасаясь в процессе теплового движения с частицами почвы, водные молекулы вырываются из жидкой среды и прилипают к твердым частицам, распространяясь по их поверхности и смачивая её. При взаимодействии парообразной н жидкой влаги с твердой фазой почвы имеет место физическая адсорбция, при которой молекулы воды, сорбированные на поверхности почвенных частиц, сохраняют свою индивидуальность.

Капиллярные силы. Существенный вклад в удержание и передвижение жидкой плати в почве вносят капиллярные, или менисковые, силы. Они возникают в капиллярных порах на границе раздела «твердая фаза почвы – вода-воздух» и обусловлены поверхностным натяжением воды, а также смачиванием.

Поверхностный слой воды по своим свойствам отличается от ее внутренних слоев. Молекулы воды, находясь в тепловом движении, одновременно участвуют в молекулярном взаимодействии. Внутри жидкости каждая молекула окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях. Поэтому она находится в относительном покое.

Иные условия складываются на границе раздела «вода-воздух». Молекулы поверхностного слоя жидкости испытывают действие сил притяжения преимущественно со стороны молекул, находящихся ниже поверхности раздела. Силы притяжения, направленные внутрь жидкости, стремятся втянуть туда молекулы, расположенные на ее поверхности. Воздух как среда, менее плотная по составу молекул, не может оказать противодействия этим силам. Поэтому поверхность любой жидкости стремится к сокращению.

Следующая особенность молекул воды, расположенных на поверхности, заключается в том, что их свободная энергия уравновешивается лишь в той части, которая обращена в сторону жидкости. Часть молекул, обращенных к воздуху, оказываются энергетически некомпенсированными и служат источником избыточной поверхностной энергии, которая также стремится к уменьшению.

Проявление в поверхностном слое сил молекулярного притяжения и избыточной поверхностной энергии влечет за собой образование на поверхности воды подобия пленки. Такая пленка характеризуется поверхностным натяжением (или поверхностным давлением), представляющим собой разницу между атмосферным давлением и давлением жидкости.

Поверхностное давление, развивающееся под плоской поверхностью жидкости, называют нормальным. Когда поверхность жидкости имеет вид выпуклого мениска, поверхностное давление под ним будет больше нормального. Под вогнутыми менисками поверхностное давление меньше нормального. Эту разницу называют отрицательным капиллярным давлением. Благодаря ему в капиллярах над вогнутым мениском возникает подобие вакуума, который и поднимает за мениском столбик воды, заполняющей капилляр.

Поскольку в целом вода хорошо смачивает почвенные частицы, в почвах образуются только вогнутые мениски. При этом чем больше кривизна менисков, т. е. чем уже капилляры, тем выше отрицательное капиллярное давление. С ним связаны способность почв удерживать определенное количество жидкой влаги и передвижение воды по капиллярным порам.

Гравитационные силы. Жидкая вода находится под действием гравитационных сил или силы тяжести. В результате проявления этих сил происходит вертикальное или в соответствии с уклоном местности внутрипочвенное боковое перемещение той влаги, которая не удерживается почвой за счет сорбционных и капиллярных сил.
Осмотические силы. Эти силы обусловлены взаимодействием ионов растворённых веществ с молекулами воды и характеризуются осмотическим давлением почвенного раствора. Если осмотическое давление почвенного раствора равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в растения, независимо от уровня влажности почвы прекращается.