Про вплив засніженій поверхні на температуру повітря

Відео: Баня на дровах парилка. Джакузі і масаж в спа комплексі VIKEY

До мене по телефону звернувся ряд знайомих садівників з проханням розповісти про вплив снігового покриву на температуру повітря над ним. Своє прохання вони мотивували нинішньої досить суворою зимою. З таким же проханням звернулися до мене і мої колеги по основній роботі, після того як мені довелося довго пояснювати їм, в чому полягає механізм зміни температури повітря на різних висотах від сніжної поверхні. Взагалі-то, моя стаття на цю тему вже публікувалася в «УС» (№7 / 2004), і я відсилав всіх, хто цікавиться до цієї статті. Але прохання знову опублікувати таку статтю були дуже наполегливі. І я вирішив, що дійсно з першої публікації вже пройшло шість років, з`явилося багато нових садівників, та й зими з кожним роком приносять постійно несподівані сюрпризи і передрук цієї статті буде вельми корисна для більшості садівників. Тому нижче з невеликими доробками зазначена стаття друкується знову.

Дослідженнями фахівців був відзначений особливий хід температури на поверхні снігу і поблизу неї в повітрі в порівнянні з температурою повітря на висоті 1-1,5 м. При цьому з упевненістю було відзначено, що саме мікрокліматичні особливості пріснежних шарів повітря дуже часто є причиною загибелі плодових дерев в багатьох районах Росії і колишнього Союзу, включаючи і нашу Свердловську область.

Вночі поверхню снігу і прилеглі шари повітря охолоджуються набагато сильніше (в середньому на 5-9 ° С), ніж вищерозміщені. Днем на світлі температура піднімається до позитивної. У повітрі на висоті 50-100 см таке явище практично не спостерігається. Різкі коливання температури пріснежних шарів повітря і знаходяться тут тканин рослин викликані низкою обставин: особливими тепловими властивостями снігу, впливом сонця, станом атмосфери і самими рослинами. Сніг втрачає тепло на випромінювання, особливо вночі при тихій ясній погоді (коефіцієнт довгохвильового випромінювання свіжого снігу - 0,82, влежаного снігу - 0,89). Сильні і тривалі морози в Сибіру, на Уралі і навіть на Україні спостерігаються саме при таких умовах. Великих втрат тепла сприяє і дуже шорстка поверхня снігу. Підвищена сухість повітря взимку в Сибіру і на Уралі веде до великих втрат снігу на випаровування, викликаючи додатково ще значні витрати тепла. Крім того, охолодження пріснежних шарів повітря пов`язано ще з припиненням надходження тепла з глибини грунту. Сніг, як поганий провідник тепла, розриває теплооборот між грунтом і повітрям. В результаті його поверхню дуже сильно охолоджується, хоча в ньому спостерігаються невеликі негативні температури (-5 ...- 12 ° С).

Підвищення температури верхніх горизонтів снігу і пріснежних шарів повітря вдень пов`язано з сонячною радіацією (коефіцієнт короткохвильового поглинання свіжого снігу - 0,13, влежаного снігу - 0,33). Частина сонячної радіації проникає в товщу снігу і нагріває його. Цьому сприяють гілки плодових і ягідних рослин, що пронизують його у всіх напрямках. Вони нагріваються до плюсових температур при негативних температурах повітря. Сніг днем в січні-лютому тане навколо гілок при температурі вночі на поверхні снігу до -40 ° С, чому в чималому ступені сприяє і так звані парнички навколо гілок. Крижана кірка на початку утворюється навколо гілок, потім вона розростається, вільно пропускає світлові промені і перешкоджає тепловому випромінюванню від гілок і снігу в атмосферу. В результаті під поверхнею льоду в снігу тканини рослин нагріваються до високих позитивних температур, і починається їх життєдіяльність, а вночі вони охолоджуються до дуже низьких температур. Такі різкі коливання найбільш часто проявляються в другій половині зими, викликаючи відмирання кори - «опіки».

Сильне вихолоджування пріснежних шарів повітря залежить від кліматичних особливостей району, зими і погоди. Охолодження пріснежних шарів повітря спостерігається, по суті, у всіх районах, де встановлюється постійний сніговий покрив. Однак частота його прояву і інтенсивність далеко не однакові в різних районах. У європейській частині Росії охолодження буває рідше і різниця в температурах верхніх і нижніх шарів повітря менше (не більше 3-5 ° С). Лише в Поволжі перепади температур на поверхні снігу досягають великих величин, викликаючи істотні пошкодження тканин на лінії снігу, особливо у молодих дерев. Різкість коливань значно зростає на Уралі, в Західному Сибіру і досягає свого найбільшого значення в Східному Сибіру і на Далекому Сході у зв`язку з переважанням тихої безхмарним сухий антициклонної погоди без відлиг.

Відео: Як Людина Загине В Космосі Без скафандра?

Найбільш низькі температури на поверхні снігу найчастіше спостерігаються в зими багатосніжні. Після рясних снігопадів на тривалий час встановлюється ясна тиха погода, що сприяє посиленому охолодженню пріснежних шарів повітря. Наприклад, в Свердловській області такими були зими 1966-67, 1968-69, 1978-79, 1984-85 років. У малосніжні зими коливання на поверхні снігу також великі, але вони спостерігаються при менших абсолютних мінімумах температур, і рослини майже не пошкоджуються. У другій половині зими температура на поверхні снігу коливається найбільш сильно. В цей час на Уралі зазвичай переважає тиха ясна суха морозна погода, і в більш рідкісні роки січень-березень відрізняються рясними хуртовинами, снігопадами і підвищеною вологістю повітря. У листопаді-грудні ж, як правило, найбільш часті вітри, підвищена хмарність і рясні опади, що не сприяє охолодженню поверхні снігу. Меншому охолодженню пріснежних шарів повітря в перші зимові місяці сприяють і інші причини, зокрема мала висота снігу і ще слабке охолодження грунту. Тепло з неї надходить до верхніх горизонтах снігу, так як його невелика висота ще не перешкоджає проникненню тепла. Але, незважаючи на сказане, трапляються окремі рідкісні зими (наприклад, зима 1998-99 років з температурою близько -30 ° С в повітрі, що спостерігалася 10-12 листопада), коли спостерігаються ранні, не дуже низькі, короткочасні пониження температури на поверхні снігу, завдають суттєвих пошкоджень рослинам і за своїми наслідками мало поступаються зимовим.

Найбільш згубний вплив на рослини роблять не стільки зниження температур, скільки швидкість їх прояву протягом доби. Спостереження показують, що вранці на снігу температура найнижча, але вже до 10 години, коли сонячні промені торкаються його поверхні, вона підвищується і на такому рівні утримується до заходу сонця, після чого вона різко знижується і вже до 22 години знижується до найнижчих меж , після чого охолодження поверхні снігу сповільнюється і починається вихолоджування верхніх шарів повітря. Зазвичай підвищення температури на поверхні снігу спостерігається з 8 до 14 годин, а зниження - з 14 до 20 годин, при цьому нагрівання тканин рослин йде більш інтенсивно, ніж подальше охолодження у вечірній час. Швидкість же відтавання має вирішальне значення для виживання тканин плодових рослин. Сильне підмерзання тканин рослин в пріснежних шарах повітря пов`язано і з тривалістю впливу низьких температур. Наприклад, в одному з спостережень низькі критичні температури на поверхні снігу протягом доби утримувалися 5-6 годин, в той час як на висоті 50 см - тільки не більше 1 години. Таким чином, різкі коливання температури на поверхні снігу в залежності від часу і тривалості їх прояви, а також стану рослин наносять різні пошкодження тканин (розтріскування кори і деревини, сонячні опіки кори і деревини, пошкодження деревини), що нерідко призводять до загибелі окремих гілок і стовбура , а іноді і всієї надземної частини крони вище снігового покриву.

Для кращого розуміння особливостей встановлення пріснежних температур повітря і в якомусь вигляді впливу на них хочу далі більш детально в популярному вигляді розглянути механізм цього явища. Як відомо, земля отримує енергію за допомогою сонячної радіації (довжина хвиль 0,3-2,2 мкм), а втрата енергії в простір відбувається за рахунок довгохвильового радіації (довжина хвиль 6-100 мкм). Властива сніжному покриву висока відбивна здатність змінюється з довжиною хвилі так швидко, що на більш довгих хвилях сніг виявляється поганим відбивачем, але зате хорошим випромінювачем. Хоча значна частина довгохвильової радіації, яку випромінює засніженій земною поверхнею, повертається до неї внаслідок поглинання і випромінювання атмосферою, значна частина її (близько 20%) втрачається в просторі. Якщо ці втрати не компенсуються надходженням енергії з інших джерел, результуючий ефект виражається в зниженні температури повітря, особливо в нижніх шарах атмосфери. Температурний профіль повітря, схильного радіаційного вихолажіванію протягом тривалого часу, характеризується дуже низькою температурою у поверхні.

Регіоном, де в Росії спостерігається інтенсивне радіаційне вихолоджування, в результаті якого формуються повітряні маси, які характеризуються дуже низькою температурою у поверхні, слабкими вітрами і ясним небом, є Сибір. При захопленні сибірським антициклоном зони Уралу такі температури нерідко встановлюються і в нашій області.

Згідно з правилами променистого теплообміну кількість теплоти, що виділяється з поверхні снігу при випромінюванням, прямо пропорційна до коефіцієнта випромінювання сніжної поверхні, її площі, а також різниці температур цієї поверхні і шарів повітря, з нею стикаються. Засніжена поверхня, утворена скупченням численних окремих сніжинок і складаються з них окремих різноманітних блоків, являє собою надзвичайно шорстку поверхню. Крім того, і самі сніжинки (атмосферні і снігові кристали) представляють собою також надзвичайно шорсткі освіти. Сумарна площа такої поверхні виявляється набагато більшою, ніж площа, обмежена тільки довжиною і шириною поверхні. Особливо сильно шорсткість і сумарна площа засніженій поверхні збільшуються при утворенні її щойно випав снігом.

На рис. 2 наведено зміна коефіцієнта випромінювання тіл з шорсткою (1) і гладкою поверхнею (2) в залежності від кута випромінювання (А. Мачкаші, Л. Банхіді «Променисте опалення», Москва, Стройиздат, 1985 г.). З рис. 2 видно, що коефіцієнт випромінювання шорсткуватих поверхонь - значно більший, ніж гладких. До того ж коефіцієнт випромінювання шорсткуватих поверхонь при наближенні кута випромінювання до 75-90 ° зменшується повільніше, ніж для гладких поверхонь. Тобто, чим більше шорстка поверхня випромінювання, тим більше її коефіцієнт випромінювання і тим в більшій кутку відбувається випромінювання. А з урахуванням збільшення при цьому до максимально можливої і самої поверхні, що випромінює можна говорити і про максимально можливу втрату тепла цієї випромінює поверхнею.

Звідки ж береться тепло, що витрачається в процесі випромінювання? Це тепло береться з прилеглих до поверхні шарів снігу. Але сніговий покрив завдяки вмісту в ньому значної кількості повітря володіє хорошими теплоізоляційними властивостями. Тому негативні температури пріснежних шарів повітря поширюються на невелику глибину. З цих шарів снігу і відбувається виділення тепла, що витрачається на випромінювання. На рис. 3 приведена залежність ослаблення добових коливань температури з глибиною в шарі снігу, взята з «Довідника снігу», Ленінград, Гидрометеоиздат, 1986 р З рис. 3 видно, що вже на глибині 40 см амплітуда добових коливань температури снігу повністю відсутня, а на глибині 20 см має незначну величину. Тому орієнтовно шар снігу товщиною в 20 см можна вважати відповідальним за виділення тепла, що витрачається на випромінювання. Правда, при тривалому стоянні сильних морозів амплітуда добових коливань температури буде відсутній на глибині трохи більшої ніж 40 см, але і в цьому випадку для орієнтовної оцінки можна вважати відповідальним за виділення тепла, що витрачається на випромінювання, шар снігу в 20 см.

Питома теплоємність снігу дорівнює 2,115 кДж / кг ° С. Тобто при відібранні від 1 кг снігу 2,115 кДж тепла на випромінювання сніжної поверхнею його температура повинна знижуватися на 1 ° С. Але щільність снігу дуже невелика (який щойно випав сніг має 50-300, ущільнений вітром сніг - 150-400, фірн - 450-700 кг / куб.м). Тому цей 20-сантиметровий шар снігу, що прилягає до сніжної поверхні, маючи в своєму обсязі невисоку його масу, змушений для відшкодування витрат тепла на випромінювання охолоджуватися на велику величину градусів. Теплота всередині 20-сантиметрового шару снігу передається до його поверхні за рахунок теплопередачі завдяки теплопровідності. Найбільші втрати тепла на випромінювання і найбільше зниження температури снігу і пріснежних шарів повітря, як вже зазначалося вище, відбуваються в ясні, тихі, безвітряні ночі при сніжної поверхні, утвореної щойно випав снігом, товщиною не менше 40 см, що виключає надходження тепла від землі.

При розгляді особливостей освіти пріснежних температур повітря і температури поверхні снігу до уваги бралася його рівна поверхня. Однак і в лісі, і в полі, і в саду є різні нерівності, і сніг протягом зими завдяки їм відкладається нерівномірно. Спробуємо розглянути, як впливають такі снігові піднесення на температуру сніжної поверхні і на температуру пріснежних шарів повітря на їх вершинах.

На рис. 4 для прикладу показані два снігових споруди: одне з круглою плоскою поверхнею радіуса r і товщиною шару, що віддає тепло, 20 см, інше зі сферичною поверхнею радіуса r з товщиною сферичного шару, що віддає тепло, 20 см (для наочності у того і іншого споруди не показана одна їх чверть). Порівняння зазначених споруд показує, що площа поверхні сфери другого споруди більше плоскій поверхні першого споруди в 2 рази. Спробуємо оцінити ставлення обсягу 20-сантиметрового шару снігу, що бере участь в доставці тепла до сніжної поверхні для випромінювання. У першому спорудженні цей обсяг постійний і постійно ставлення цього обсягу до поверхні, що випромінює. У другому спорудженні цей обсяг залежить від радіуса сфери і найменшим виходить при малих радіусах сфери. Залежним від радіуса сфери виходить і ставлення цього обсягу від відповідної йому поверхні сфери. Порівняння відносин 20-сантиметрового шару снігу до поверхні випромінювання для першого і другого споруди показала, що для другого сферичного споруди при r = 0,5 м воно було на 35% менше, ніж для першого плоского споруди з тим же радіусом r, при r = 1,0 м - на 18,5% менше, при r = 1,5 м - на 14,5% менше, при r = 2,0 м - на 10% менше.

Таким чином, при сферичному сніжному спорудженні 20-сантиметровий шар снігу містить менший його обсяг, який використовується для віддачі тепла певної поверхні снігу на випромінювання, ніж такий же шар снігу при плоскому спорудженні з такою ж поверхнею. Крім того, шорсткість і площа поверхні сфери такого снігового споруди виявляється значно більшою, ніж еквівалентної на геометричні розміри плоскою сніжної поверхні. Звідси випливає і прояв більшої охлаждаемость сніжної поверхні і пріснежних шарів повітря на вершині такого сферичного снігового споруди, ніж на рівній поверхні снігу. Таке зниження температури повітря на вершинах сніжних споруд спостерігається тільки в безвітряні ночі. Сприяє цьому і щойно випав пухкий сніг, що затримує стік більш холодного повітря з вершин.

Спостереження за температурою повітря на снігових підвищеннях в Сибіру, в європейській частині Росії і в ряді інших місць показали, що дійсно в ясні безвітряні ночі ці температури на кілька градусів нижче, ніж на рівній поверхні снігу. У Сибіру, за спостереженнями Г. В. Васильченко, різниця цих температур досягає 2-4 ° С. Те ж саме можна вважати і для нашої області. Таке встановлення негативних температур більше на підвищеннях, ніж на рівній поверхні снігу, вимагає дуже обережного ставлення до захоплення дерев і чагарників снігом. Треба завжди пам`ятати і оцінювати: чи принесе підгортання рослин снігом користь їм? Підгортання рослин снігом сприяє сприятливим кліматичним умовам окученних їх частин і в той же час погіршує температурні умови на кордоні снігу їх Незаймані частин. У цих умовах доцільно підгортати рослини повністю. Але таке підгортання большеоб`емная рослин не представляється практично. Крім того, при великому окучивании можливо подопреваніе рослин і незавершення ними періоду спокою, що позначається на їх зростанні навесні і на плодоносінні.

З огляду на все сказане, садівники-любителі обов`язково повинні знати і враховувати можливість зниження температури повітря на рівній поверхні снігу на 5-9 ° С, а на вершинах пагорбів і заметів на 8-12 ° С в порівнянні з температурою повітря на висоті 1-1, 5 м від цих снігових поверхонь в будь-яку зиму. Для виключення впливу зазначених екстремальних температур все малозімостойкіх садові рослини слід пригинати до землі і повністю підгортати снігом. Садові рослини, зимуючі у відкритій формі - штамбові яблуні, сливи, вишні, абрикоси, сладкоплодние горобини, великоплідні глоди - слід вирощувати на високозімостойкіх штамбообразователях, прищеплюючи культурні сорти на висоту близько 1,5 м. Ніякого підгортання таких рослин снігом не проводять. При окучивании садових рослин з середньою зимостійкістю, вирощуваних у відкритій формі, прагнуть повністю підгорнути підставу крони з розвилками гілок, щоб зберегти його взимку і відновити з нього в разі вимерзання частини крони, розташовані вище снігового покриву. З цією метою при формуванні крони дерева повинно бути передбачено низьке розташування її заснування. Молоді плодові дерева з щепленням в кореневу шийку, зимостійкість яких завжди менша, ніж дорослих таких плодових дерев, слід обов`язково підгортати на максимально можливу висоту. Але щоб уникнути можливості подопреванія і непроходження періоду спокою діаметр снігового пагорба повинен бути невеликим. Дорослі плодові дерева з високорасположенним підставою скелетних гілок краще теж не підгортати, оскільки відмерла частина кори внизу товща і володіє великими теплоізоляційними властивостями. При захисті живих тканин при підгортання таких дерев снігом зона екстремальних пріснежних температур наближається до розвилки підстав скелетних гілок крони, найбільш уразливих до таких температур. Крони всіх низькорослих плодових дерев навіть без підгортання їх снігом, тільки при природному його снегопереноса, потрапляють в зони пріснежних екстремальних температур і в більшій мірі схильні до при цьому підмерзання, ніж крони високорослих плодових дерев. Із зазначеної причини в наших умовах повинно бути мало перспективно вирощування у відкритій формі карликових, колонновидних і кущувате плодових дерев. Ці дерева слід вирощувати в стланцевой формі.

В. Н. Шаламов

(Уральський садівник)

Інші статті В. Шаламова в розділі Шаламов Віталій Миколайович: статті по садівництву