E3 Physik des Bodens als poröses Medium

Thema

Der Boden ist ein poröses Medium, das gleichzeitig aus drei Phasen besteht – fest, flüssig und gasförmig. Seine hydraulischen Eigenschaften bestimmen, wie sich Wasser, Wärme und gelöste Stoffe darin bewegen.

Die Bodenart, also das Verhältnis von Sand, Schluff und Ton, bestimmt die Porengrößenverteilung. Diese wiederum beeinflusst sowohl die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit als auch die Wasserrückhaltekurve des Bodens. Die Bodenstruktur, gebildet durch Aggregate und Makroporen, kann diese Eigenschaften maßgeblich verändern, insbesondere durch die Bildung bevorzugter Fließwege, durch die Wasser deutlich schneller abfließt als durch den restlichen Boden.

Die Wasserrückhaltekurve beschreibt den Zusammenhang zwischen dem volumetrischen Wassergehalt des Bodens und seinem Matrixpotenzial: Bei hohem Wassergehalt, in einem feuchten Boden, nähert sich das Matrixpotenzial dem Wert Null, und das Wasser kann ungehindert abfließen. Bei geringem Wassergehalt in trockenem Boden kann das Matrixpotential bis auf -1500 Kilopascal sinken. Dieser Wert wird als permanente Welke bezeichnet, ab dem die Wurzeln kein Wasser mehr aus dem Boden aufnehmen können.

Das van-Genuchten-Modell ist die am weitesten verbreitete empirische Methode zur Beschreibung dieser Wasserrückhaltekurve. Seine Parameter hängen, wie alle anderen Angaben in diesem Dokument, von der spezifischen Bodenart ab. Die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit sinkt mit zunehmender Austrocknung des Bodens gemäß der Mualem-Beziehung drastisch ab. Genau dieser starke Abfall erschwert die Wasserbewegung in einem Boden, der bereits einen erheblichen Teil seiner Feuchtigkeit verloren hat.

In der obersten Bodenschicht, zwischen 20 und 50 Zentimetern Tiefe, werden Wärme und Wasserdampf gekoppelt transportiert: Wärme wird durch Wärmeleitung gemäß dem Fourier-Gesetz transportiert, und die Bodentemperatur bewirkt, dass sich der Wasserdampf im Boden selbst in Richtung kühlerer Bereiche bewegt.

Das zu erwartende Verhalten dieses Gesamtsystems umfasst eine Hitzewelle, die in den Boden eindringt, deren Amplitude exponentiell abnimmt und deren Ausbreitung sich mit zunehmender Tiefe verzögert – ein Verhalten, das durch die Temperaturleitfähigkeit des jeweiligen Bodentyps charakterisiert wird. Von den drei Phasen, mit denen dieses Dokument beginnt, bis hin zur gedämpften Hitzewelle am Ende, unter Berücksichtigung der Bodenart, der Wasserrückhaltekurve und der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, bedeutet die Physik des Bodens als poröses Medium, dass die Bewegung von Wasser, Wärme und gelösten Stoffen im Untergrund letztlich von derselben porösen Struktur bestimmt wird, die jeden Bodentyp definiert.

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