На особенности теплообмена почвенно-грунтового комплекса с атмосферой и космосом впервые обратил внимание один из основоположников физической географии А. И. Воейков.
В статье «Круговорот тепла в оболочке земного шара» (1904) он развивает принцип относительного равновесного, или квазиравновесного, термического состояния земной коры. Суть этого принципа следующая.
Сколь ни различны распределения температуры в толщах горных пород, они отражают закон равновесия термических состояний, соответствующих минимуму энергообмена между соседними слоями, а также с атмосферой и космосом. Постоянство температуры горных пород на глубинах более 15—30 м в течение многих десятков лет доказывает неизменность интенсивности солнечной радиации и физических свойств атмосферы на протяжении столетий. Если впоследствии Солнце будет излучать больше или меньше энергии, чем в настоящее время, то температура земной коры станет повышаться или понижаться до тех пор, пока не установится новое равновесие при более высокой или низкой среднегодовой температуре верхнего яруса литосферы.
Из этих рассуждений А. И. Воейкова вытекает представление о стационарном состоянии земной коры. Точно так же стационарность температуры воздуха на значительной высоте предполагает компенсацию теплопотерь атмосферы притоком энергии от земной поверхности в виде скрытого тепла парообразования воды (испарившейся с почвы и водоемов) и в виде непосредственного теплообмена деятельного слоя с нижними слоями тропосферы. Космос, за исключением Солнца и звезд, выступает по отношению к Земле в целом в качестве энергоприемника бесконечно большой емкости на протяжении всей геологической истории, и земная кора непрерывно излучает в этот энергоприемник.
В соответствии с астрономическими законами движения Земли, непрерывно обменивающейся энергией с космосом, существуют разной длительности энергообменные циклы в почве и подпочвенных толщах горных пород, а именно: суточные, годовые, многолетние, вековые и историко-геологические. Каждый из этих циклов приводит к тому, что переменно колеблющийся ход температуры на земной поверхности соответствует наложению разных гармоник. Безусловно, получение кривой изменения во времени температуры земной поверхности путем круглосуточного измерения ее на ряде площадок конкретного участка или района средних и высоких широт затрудняется разнообразием растительного и наличием снежного покрова разной высоты и плотности. Тем не менее разложение хода во времени температуры на поверхности внешнего деятельного слоя на ряд гармоник оправданно.
Особенность теплопроводности, или движения внутренней тепловой энергии, в твердом теле при устойчивом многократном периодическом изменении граничной температуры, ход которой сильно отличается от синусоидального, но период колебания постоянен, состоит в том, что этот период сохраняется для любой точки полуограниченного тела. Меняются лишь амплитуды и ход изменения локальных температур.
С другой стороны, точное классическое решение линейной задачи для случая синусоидального изменения температуры на поверхности грунта известно под названием формулы Фурье, в которой относительная (по отношению к амплитуде) локальная температура грунта определена как функция четырех независимых переменных: времени τ, глубины h, периода колебания р и коэффициента температуропроводности а. Это решение вскрывает относительно быстрое экспоненциальное затухание колебания температуры по глубине h. Так, уже на глубине h = 2√(πap) амплитуда колебания температуры составит лишь ±0,2% амплитуды на поверхности подпочвы. Как правило, это и есть та практически значимая точность измерения температуры. Учитывая, что диапазон изменения а = 0,001—0,003 м2/ч, эта глубина для периода р = 8760 ч (год) составит h = 10—18 м, для р = 24 ч (сутки) — h = 0,5—1,0 м, а для периода в 25 лет — h = 50—90 м.
Таким образом, мы приходим к выводу, что любые колебания температуры на поверхности земной коры с периодом времени р имеют в зависимости от этого р и определенную практически значимую глубину проникновения h, которая пропорциональна √p.
Поэтому ниже этой глубины и можно говорить об относительно равновесном состоянии почвенногрунтового комплекса, когда отсутствуют какие-либо тепловые потоки (теплообороты). В этом и заключается принцип Воейкова.
Но колебания температуры на поверхности земной коры разнопериодные. И отсюда следует вывод о различной толщине ярусов теплооборотов, связанной с разнопереодичностью внешнего термического воздействия. Разная периодичность (частота) таких колебаний приводит к различным «глубинам чувствительности» (к названным воздействиям) в земной коре. Поэтому земная кора как геофизическая система в целом не может быть в термодинамическом смысле равновесной. Речь может идти лишь о стационарности термического состояния литосферы глубже 1 м в течение суток, глубже 15 м в течение года, глубже 50 м в течение 25 лет и т. д.
С суточными энергообменными циклами и соответствующими им периодическими колебаниями температуры деятельного слоя и почвы связаны основные гидротермические процессы преобразования материнских пород, формирования тонкодисперсной коры выветривания, чему способствует и высокий геотемпературный уровень энергообмена литосферы с атмосферой и гидросферой.
Годовые энергообменные циклы определяют термическое состояние подпочвы — мерзлое или немерзлое, а также процессы промерзания или протаивания верхнего слоя земной коры. Словами «промерзание» и «протаивание» обозначают физико-геологические процессы, выражающиеся в продвижении границы мерзлой или талой зон почвы и подпочвы (грунта) в глубь слоев, пластов и массивов горных пород.
Естественное промерзание почвы и грунта происходит при изменении условий их теплообмена с атмосферой и космосом и развивается следующим образом.
Осенью, с уменьшением продолжительности дня, угла падения солнечных лучей и солнечной радиации на единицу площади, понижается среднесуточная температура деятельного слоя, понимаемая как температура условной поверхности радиационного теплообмена почвенно-грунтового комплекса с атмосферой и космосом. С каждой декадой осенне-зимнего сезона расходуется все больше тепла, накопленного почвенно-грунтовым комплексом за весенне-летний сезон. Интенсивный процесс охлаждения деятельного слоя распространяется глубже в почву. Сильнее дает себя знать ночное понижение температуры деятельного слоя и верхнего горизонта почвы, поскольку ночи удлиняются и становятся более ясными.
В продолжение осени наступают сутки, когда почва или грунт, промерзая ночью до глубины 8—12 см, за короткий день не успевает оттаять. Дальнейшее увеличение теплопотерь почвы за ночное время и уменьшение теплоприходов в дневное время приводят к все более глубокому проникновению в почву и грунт фронта промерзания — поверхности, разделяющей талую и мерзлую части почвенно-грунтового комплекса.
Метеорологические условия глубокого промерзания грунта с образованием не протаивающей в течение одного лета мерзлой подпочвы подобны осенне-зимним. Глубокое промерзание связано с многолетним циклом похолодания, при котором из года в год почвенно-грунтовый комплекс теряет внутреннюю тепловую энергию. Изменение внешних условий теплообмена постепенно приводит к тому, что наступает такой год, когда грунт промерзает больше, чем на следующее лето успевает оттаять. И таким образом, в грунте до другого холодного сезона остается мерзлая прослойка, именуемая иногда перелетком мерзлоты. В течение зимы второго года весь верхний малый слой почвы и грунта промерзает, еще более увеличивается мерзлая прослойка. И этот процесс может затягиваться на многие десятки, сотни и тысячи лет, образуя огромные толщи подстилающих мерзлых пород.
Характерно, что многолетнее промерзание слоев земной коры происходит как результат последовательного ряда годовых циклов сезонного промерзания-протаивания, но такого, при котором возможности промерзания выше возможности протаивания. Точнее, здесь налицо несимметричность сезонных теплооборотов, т. е. земная кора в каждый весенне-летний сезон получает меньше тепла, чем отдает его в атмосферу и космос в осенне-зимний сезон.
Возникновение толщи мерзлых грунтов меняет коренным образом интенсивность, значение и чувствительность энергообменных процессов в системе почва — атмосфера (космос) к внешним воздействиям. Многолетние исследования таких явлений в Якутске систематизированы в трудах Института мерзлотоведения СО АН СССР. В них опубликованы данные о сезонных теплопотоках в протаивающем слое и многолетней криолитозоне. Годовой теплооборот на 90% обязан теплу из сезоннопротаивающего слоя. Для разных районов криолитозоны обнаруживаются увеличение теплооборотов с уменьшением радиационного баланса, понижение среднегодовой температуры деятельного слоя и уменьшение толщины сезоннопротаивающего слоя.
Таким образом, если систему почва — литосфера с квазиравновесным на протяжении многих лет геотермическим уровнем теплообмена в условиях Московской области последовательно перемещать в окрестности Якутска, Норильска и Анадыря, то внешние теплопотери ее будут увеличиваться и геотермический уровень понижаться с одновременным увеличением глубины сезонного промерзания и отношения этой глубины к возможной глубине сезонного протаивания. Но такие внешние воздействия вызовут и противоположное изменение — увеличатся весенне-летние теплоприходы, чему будет способствовать огромный температурный градиент в сезоннопротаивающем слое, который возрастает по мере понижения средней годовой температуры и увеличения льдистости почвенногрунтового комплекса.
Именно с направлением процессов увеличения промерзания или протаивания почвы и подпочвы (грунта) и связаны проблемы ограничения техногенных воздействий при освоении северных территорий.
При различного рода изменениях естественно установившегося теплообмена почвенно-грунтового комплекса, в том числе и под влиянием хозяйственной деятельности человека, неуклонно увеличивающиеся на протяжении двух-трех годовых периодов огромные даже в обычные годы плотности нисходящих потоков тепла в системе почва — мерзлая подпочва делают эту систему исключительно неравновесной и подвижной по перераспределению соотношений жидкой и твердой фаз воды. Это значительно осложняет прогнозирование развития криогенных физико-геологических процессов и разработку методов управления ими.