水の浸潤にともなう黒ボク土の発熱と地温分布について
516323 川村 宜也 （土壌圏システム学教育研究分野）
１．はじめに
地温は日射や降雨、土壌微生物の活動で変動する。一方、土粒子は水に濡れると発熱する。
こうした湿潤熱も土中の温度分布に影響を与え𝐶sると考えられる。土中で発生した熱は温度勾配𝜕𝜃𝜕𝜕ℎ= [𝐾(ℎ) ( + 1)]
𝜕𝑡 𝜕𝑧𝜕𝑧（1）𝜕𝑇
𝜕2𝑇𝜕𝑞𝑇= 𝜆 2 − 𝐶w+ 𝐻w
𝜕𝑡𝜕𝑧𝜕𝑧（2）によって周囲へ伝導し、水の浸潤によって下方 ここで、K は不飽和透水係数、h は土中水圧力、へと運ばれる。また、湿潤熱の発生する要因の z は深さ、t は時間、𝐶sと𝐶wは試料と水の熱容量、大部分が水の吸着によると考えると、土の昇温 T は地温、q は水分フラックスである。また、土量は土の比表面積、吸着特性、乾燥密度に依存 は絶乾からある含水率𝜃𝐿𝑖𝑚 までは濡れる際に発すると考えられる。また、水の吸着による発熱 熱し𝜃𝐿𝑖𝑚 以上の含水率変化では発熱しないとしは吸着層とバルクの水分子のエネルギー差によ 式（2）の発熱項𝐻w を式（3）で表した。
るため、昇温量は水の吸着量（吸着層の厚さ）に依存すると考えられる。ところで、日本の代表的な土壌である黒ボク土は大きな比表面積を𝑑𝜃(𝜃𝐼𝑛𝑖 < 𝜃 < 𝜃𝐿𝑖𝑚 )𝐻𝑤 = { 𝑑𝑡(𝜃𝐿𝑖𝑚 < 𝜃)
0𝑞𝑤

（3）

持つが、その構造は高温処理により変性すると ここで、𝜃Iniは初期含水率、𝑞w は単位吸着水量あ言われている。こうした変性も地温分布の形成 たりの発熱量である。計算には式（2）と（3）に影響を与えると考えられる。そこで本研究で を組み込んだ HYDRUS-1D を用いた。また、1 分は、水の浸潤にともない発生する黒ボク土中の 子層目の吸着熱は一般に 2 分子層目以降より大地温分布の形成メカニズムを明らかにするこきい。しかし、本実験の𝜃Ini は 1 分子層以上の吸と、土壌の種類や乾燥方法が地温分布に及ぼす 着水を含むため、𝑞w は 2 分子層目以降の吸着熱影響を評価すること、そして浸潤時の発熱に寄 の平均値と考え、一定値を与えた。
与する土粒子表面の吸着水層の厚さと吸着水量 ３．結果あたりの発熱量を推定することを目的とした。
２．試料と方法

図 1（a）に熊本風乾土と三重風乾土の浸潤過程における 11、21 cm 深の地温変化をマーカー

試料には、風乾および炉乾した熊本、長野、 で示す。また、図 1（b）にそれぞれの試料の 11、三重県産の黒ボク土の 2 mm ふるい通過分と、 21 cm 深の地温が最高値に達した際の温度分布
風乾した鳥取県産の砂丘砂を用いた。
内径 5 cm、 を示す。地温は浸潤前線が近づくと、初期温度高さ 35 cm のアクリルカラムに初期温度 25℃、 から次第に上昇し前線到達時にピークに達し、圧力水頭2.2×106 cm に調整した試料を一定の その後下降した。温度が上昇し始め、ピークに乾燥密度で詰めた。表 1 に試料の乾燥密度𝜌b 、 達する時間（上昇時間）や初期温度とピークの比表面積 s、風乾と飽和時の熱伝導率𝜆d、𝜆wを

表 1 各試料の土性ρ b(g/cm3)示す。装置には 1～29 cm 深に熱電対を 14 本埋設した。装置上端から 25℃の水を 0.5～5 cm/hの一定流量で滴下し、ビデオカメラで浸潤の様子を撮影した。実験で得られた結果をリチャー
ズ式（1）と熱伝導方程式（2）で解析した。

風熊本炉
風長野炉
風
三重炉
鳥取砂

0.79
0.79
1.1
1.63s (m2/g) λ d(W/mK)
151.4
0.16116.1
0.15124.3
0.1489.5
0.1460.90.1949.2
0.179.60.24

λ w(W/mK)0.75
0.720.690.691.06
1.091.63料の上昇時間と乾燥時の熱伝導率、図 2（b）に下降時間と飽和時の熱伝導率の関係を示す。
上昇時間は乾燥時の熱伝導率が高いほど長くなった。一方、下降時間と飽和時の熱伝導率には相関がみられなかった。昇温部の地温分布の形
成は熱伝導率に依存するが、降温部の地温分布の形成には伝導に加え移流や分散の影響も大きいと考えられる。また、試料を炉乾すると、熱伝導率が低下し、上昇時間にも影響が生じた。
図 3 に各試料の昇温量と比表面積の関係を示す。昇温量は比表面積が大きいほど増加した。
比表面積が大きいほど単位面積当たりに吸着できる水分量が多くなり、吸着量に応じて昇温量が高くなったと考えられる。また、試料を炉乾すると、比表面積が小さくなり、昇温量も低下した。炉乾処理により黒ボク土内の団粒構造が

00

(a)

(b)

深さ(cm深)2727

10102626

2020

2525

●熊本風
▲三重風

2424 0 100 200 300 400 303024 25 26 27 28
0 100200 300 400
24 25地温(℃)
26 27 28
経過時間(分)図 1 （a）地温の経時変化と（b）温度分布
250303025025

熊 長 三 鳥風● ■ ▲ ×
炉〇 □ △

2020

(a)

(b)

225
225

下降時間(min)

下降時間、昇温量は異なった。図 2（a）に各試

21

地温(℃)

も概ね等しかった。試料が異なると、上昇時間、11上昇時間(min)

戻る時間（下降時間）は実験中いずれの深さで

2828

20020015175
17515010100.1
0.15
0.2 150 00.5
11.50.10.1250.150.1750.2
0 0.5 1 1.5
熱伝導率(W/mK)
図 2 熱特性の影響（a）乾燥時と（b）飽和時

33

熊 長 三 鳥風● ■ ▲ ×
炉〇 □ △

昇温量(℃)

温度差（昇温量）、ピークから初期温度まで

2211

滴下流量
5, 4, 0.5 cm/h

破壊され、比表面積が小さくなったと思われる。
また、同一試料であっても滴下流量が異なると、昇温量が異なった。図 4 に熊本、三重風乾土の0000

昇温量(℃)

う、単位時間当たりの吸着量の増加により昇温2211量が増加したと考えられる。一方、高流量時に00は吸着による発熱に対し移流の効果が大きくなり、昇温量が減少したと考えられる。ここで計算は𝑞w と𝜃Lim を適切に与えることで実測をよく再現した（図 1、4 の実線）。そこで比表面積から𝜃Lim 相当の吸着分子層数を算出し、吸着水量あたりの発熱量との関係を求めた（図 5）。
図から土粒子への発熱反応に寄与する吸着分子層数は 3～7 分子層程度と考えられる。そこでこの分子層を 3.5 層と仮定すると、発熱量は風乾土で 2 kJ/mol、炉乾土で 1.2 kJ/mol となった。

● 熊本風▲ 三重風00424896
滴下流量(cm/h)6144

図 4 滴下流量と昇温量88● 熊本風〇 熊本炉▲ 三重風

66

発熱量(kJ/mol)

式（1）～（3）を用いてカラム実験を計算した。

16016033

昇温量は滴下流量が増加するとはじめは急激さくなった。低流量時には流量の増加にともな

40120802/g)
比表面積(m80120

図 3 比表面積と昇温量

昇温量と滴下流量の関係をマーカーで示す。に、その後緩やかに大きくなり、5 cm/h では小40442200 002462 吸着分子層数(層)46
図 5 吸着分子層と発熱量88