Propiedades térmicas del suelo

Las propiedades térmicas del suelo son un componente de la física del suelo que ha encontrado importantes usos en ingeniería, climatología y agricultura. Estas propiedades influyen en la forma en que se distribuye la energía en el perfil del suelo. Si bien están relacionadas con la temperatura del suelo, se las asocia más precisamente con la transferencia de energía (principalmente en forma de calor) a través del suelo, por radiación, conducción y convección.

Las principales propiedades térmicas del suelo son

• Capacidad de calor volumétrica, unidades SI: J∙m⁻³∙K⁻¹
• Conductividad térmica, Unidades SI: W∙m⁻¹∙K⁻¹
• Difusividad térmica, SI Unidades: m²-⁻¹

Es difícil decir algo general sobre las propiedades térmicas del suelo en un lugar determinado porque están en un estado de flujo constante debido a las variaciones diurnas y estacionales. Aparte de la composición básica del suelo, que es constante en un lugar, las propiedades térmicas del suelo están fuertemente influenciadas por el contenido volumétrico de agua, la fracción volumétrica de sólidos y la fracción volumétrica de aire. El aire es un mal conductor térmico y reduce la eficacia de las fases sólida y líquida para conducir el calor. Si bien la fase sólida tiene la conductividad más alta, es la variabilidad de la humedad del suelo la que determina en gran medida la conductividad térmica. Como tal, las propiedades de humedad del suelo y las propiedades térmicas del suelo están muy estrechamente vinculadas y a menudo se miden y se informan juntas. Las variaciones de temperatura son más extremas en la superficie del suelo y estas variaciones se transfieren a las capas subterráneas, pero a tasas reducidas a medida que aumenta la profundidad. Además, existe un retraso temporal en cuanto a cuándo se alcanzan las temperaturas máximas y mínimas a medida que aumenta la profundidad del suelo (a veces denominado retraso térmico).

Una forma posible de evaluar las propiedades térmicas del suelo es el análisis de las variaciones de temperatura del suelo en función de la profundidad (ley de Fourier).

${\displaystyle Q=-\lambda dT/dz\,}$

donde Q es el flujo de calor o la tasa de transferencia de calor por unidad de área J·m⁻²∙s⁻¹ o W·m⁻², λ es la conductividad térmica W·m⁻¹∙K⁻¹; dT/dz es el gradiente de temperatura (cambio de temperatura/cambio de profundidad) K·m⁻¹.

El método más comúnmente aplicado para medir las propiedades térmicas del suelo es realizar mediciones in situ, utilizando sistemas de sondas de estado no estacionario o sondas de calor.

El método de sonda única emplea una fuente de calor insertada en el suelo, mediante la cual se aplica energía térmica de forma continua a una velocidad determinada. Las propiedades térmicas del suelo se pueden determinar analizando la respuesta de temperatura adyacente a la fuente de calor a través de un sensor térmico. Este método refleja la velocidad a la que el calor se aleja de la sonda. La limitación de este dispositivo es que mide únicamente la conductividad térmica. Las normas aplicables son: Guía IEEE para mediciones de resistividad térmica del suelo (norma IEEE 442-1981) así como la norma ASTM D 5334-08 Método de prueba estándar para la determinación de la conductividad térmica del suelo y la roca blanda mediante el procedimiento de sonda de aguja térmica.

Después de más investigaciones, se desarrolló la técnica de pulso térmico de sonda doble. Consiste en dos sondas de aguja paralelas separadas por una distancia (r). Una sonda contiene un calentador y la otra un sensor de temperatura. El dispositivo de sonda doble se inserta en el suelo y se aplica un pulso térmico y el sensor de temperatura registra la respuesta en función del tiempo. Es decir, se envía un pulso térmico desde la sonda a través del suelo (r) hasta el sensor. La gran ventaja de este dispositivo es que mide tanto la difusividad térmica como la capacidad térmica volumétrica. A partir de esto, se puede calcular la conductividad térmica, lo que significa que la sonda doble puede determinar todas las propiedades térmicas principales del suelo. Se han observado posibles desventajas de la técnica de pulso térmico. Esto incluye el pequeño volumen de medición del suelo, así como las mediciones que son sensibles al contacto de la sonda con el suelo y al espaciado entre el sensor y el calentador.

La teledetección desde satélites y aeronaves ha mejorado enormemente la forma en que se puede identificar y utilizar la variación en las propiedades térmicas del suelo para beneficiar muchos aspectos de la actividad humana. Si bien la teledetección de la luz reflejada de las superficies indica la respuesta térmica de las capas superiores del suelo (de unas pocas capas moleculares de espesor), es la longitud de onda infrarroja térmica la que proporciona variaciones de energía que se extienden a diferentes profundidades superficiales debajo de la superficie del suelo lo que resulta de mayor interés. Un sensor térmico puede detectar variaciones en las transferencias de calor hacia y desde las capas cercanas a la superficie debido al calentamiento externo por los procesos térmicos de conducción, convección y radiación. La teledetección por microondas desde satélites también ha demostrado ser útil, ya que tiene la ventaja sobre la TIR de no verse afectada por la cobertura de nubes.

Los diversos métodos de medición de las propiedades térmicas del suelo se han utilizado para ayudar en diversos campos, como la expansión y contracción de los materiales de construcción, especialmente en suelos congelados, la longevidad y la eficiencia de las tuberías de gas o los cables eléctricos enterrados en el suelo, los esquemas de conservación de energía, en la agricultura para determinar el momento de la siembra para garantizar la emergencia óptima de las plántulas y el crecimiento de los cultivos, y la medición de las emisiones de gases de efecto invernadero a medida que el calor afecta la liberación de dióxido de carbono del suelo. Las propiedades térmicas del suelo también están adquiriendo importancia en áreas de la ciencia ambiental, como la determinación del movimiento del agua en los residuos radiactivos y la localización de minas terrestres enterradas.

La inercia térmica del suelo permite que el suelo se utilice para almacenar energía térmica subterránea. La energía solar se puede reciclar del verano al invierno utilizando el suelo como un depósito de energía térmica a largo plazo antes de ser recuperada por bombas de calor geotérmicas en invierno.

Los cambios en la cantidad de carbono orgánico disuelto y carbono orgánico del suelo pueden afectar su capacidad de respirar, ya sea aumentando o disminuyendo la absorción de carbono del suelo.

Además, los criterios de diseño de MCS para bombas de calor geotérmicas de circuito poco profundo requieren una lectura precisa de la conductividad térmica in situ. Esto se puede hacer utilizando la sonda térmica mencionada anteriormente para determinar con precisión la conductividad térmica del suelo en todo el sitio.

• Bristow KL, Kluitenberg GJ, Goding CJ, Fitzgerald TS (2001). "Una pequeña sonda multinecedle para medir las propiedades térmicas del suelo, el contenido del agua y la conductividad eléctrica". Computadoras y Electrónica en Agricultura. 31 (3): 265-280. doi:10.1016/S0168-1699(00)00186-1.