О влиянии заснеженной поверхности на температуру воздуха

Видео: Баня на дровах парилка. Джакузи и массаж в спа комплексе VIKEY

Ко мне по телефону обратился ряд знакомых садоводов с просьбой рассказать о влиянии снежного покрова на температуру воздуха над ним. Свою просьбу они мотивировали нынешней достаточно суровой зимой. С такой же просьбой обратились ко мне и мои коллеги по основной работе, после того как мне пришлось долго объяснять им, в чем заключается механизм изменения температуры воздуха на разных высотах от снежной поверхности. Вообще-то, моя статья на данную тему уже публиковалась в «УС» (№7/2004 г.), и я отсылал всех интересующихся к этой статье. Но просьбы вновь опубликовать такую статью были очень настойчивы. И я решил, что действительно с первой публикации уже прошло шесть лет, появилось много новых садоводов, да и зимы с каждым годом приносят постоянно неожиданные сюрпризы и перепечатка данной статьи будет весьма полезна для большинства садоводов. Поэтому ниже с небольшими доработками указанная статья печатается вновь.

Исследованиями специалистов был отмечен особый ход температуры на поверхности снега и вблизи нее в воздухе по сравнению с температурой воздуха на высоте 1-1,5 м. При этом вполне определенно было отмечено, что именно микроклиматические особенности приснежных слоев воздуха очень часто являются причиной гибели плодовых деревьев во многих районах России и бывшего Союза, включая и нашу Свердловскую область.

Ночью поверхность снега и прилегающие слои воздуха охлаждаются намного сильнее (в среднем на 5-9°С), чем вышележащие. Днем на свету температура поднимается до положительной. В воздухе на высоте 50-100 см такое явление практически не наблюдается. Резкие колебания температуры приснежных слоев воздуха и находящихся здесь тканей растений вызваны рядом обстоятельств: особыми тепловыми свойствами снега, воздействием солнца, состоянием атмосферы и самими растениями. Снег теряет тепло на излучение, особенно ночью при тихой ясной погоде (коэффициент длинноволнового излучения свежевыпавшего снега – 0,82, лежалого снега – 0,89). Сильные и продолжительные морозы в Сибири, на Урале и даже на Украине наблюдаются именно при таких условиях. Большим потерям тепла способствует и очень шероховатая поверхность снега. Повышенная сухость воздуха зимой в Сибири и на Урале ведет к большим потерям снега на испарение, вызывая дополнительно еще значительный расход тепла. Кроме того, охлаждение приснежных слоев воздуха связано еще с прекращением поступления тепла из глубины почвы. Снег, как плохой проводник тепла, разрывает теплооборот между почвой и воздухом. В результате его поверхность очень сильно охлаждается, хотя в нем наблюдаются небольшие отрицательные температуры (-5...-12°С).

Повышение температуры верхних горизонтов снега и приснежных слоев воздуха днем связано с солнечной радиацией (коэффициент коротковолнового поглощения свежевыпавшего снега – 0,13, лежалого снега – 0,33). Часть солнечной радиации проникает в толщу снега и нагревает его. Этому способствуют ветки плодовых и ягодных растений, пронизывающие его во всех направлениях. Они нагреваются до положительных температур при отрицательных температурах воздуха. Снег днем в январе-феврале подтаивает вокруг веток при температуре ночью на поверхности снега до -40°С, чему в немалой степени способствует и так называемые парнички вокруг веток. Ледяная корка в начале образуется вокруг веток, затем она разрастается, свободно пропускает световые лучи и препятствует тепловому излучению от веток и снега в атмосферу. В результате под поверхностью льда в снегу ткани растений нагреваются до высоких положительных температур, и начинается их жизнедеятельность, а ночью они охлаждаются до очень низких температур. Такие резкие колебания наиболее часто проявляются во второй половине зимы, вызывая отмирание коры – «ожоги».

Сильное выхолаживание приснежных слоев воздуха зависит от климатических особенностей района, зимы и погоды. Охлаждение приснежных слоев воздуха наблюдается, по существу, во всех районах, где устанавливается постоянный снежный покров. Однако частота его проявления и интенсивность далеко не одинаковы в различных районах. В европейской части России охлаждение бывает реже и разница в температурах верхних и нижних слоев воздуха меньше (не более 3-5°С). Лишь в Поволжье перепады температур на поверхности снега достигают больших величин, вызывая существенные повреждения тканей на линии снега, особенно у молодых деревьев. Резкость колебаний значительно возрастает на Урале, в Западной Сибири и достигает своего наибольшего значения в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке в связи с преобладанием тихой безоблачной сухой антициклональной погоды без оттепелей.

Видео: Как Человек Погибнет В Космосе Без Скафандра?

Наиболее низкие температуры на поверхности снега чаще всего наблюдаются в зимы многоснежные. После обильных снегопадов на длительное время устанавливается ясная тихая погода, способствующая усиленному охлаждению приснежных слоев воздуха. Например, в Свердловской области такими были зимы 1966-67, 1968-69, 1978-79, 1984-85 годов. В малоснежные зимы колебания на поверхности снега также велики, но они наблюдаются при меньших абсолютных минимумах температур, и растения почти не повреждаются. Во второй половине зимы температура на поверхности снега колеблется наиболее сильно. В это время на Урале обычно преобладает тихая ясная сухая морозная погода, и в более редкие годы январь-март отличаются обильными метелями, снегопадами и повышенной влажностью воздуха. В ноябре-декабре же, как правило, наиболее часты ветры, повышенная облачность и обильные осадки, что не способствует охлаждению поверхности снега. Меньшему охлаждению приснежных слоев воздуха в первые зимние месяцы способствуют и другие причины, в частности малая высота снега и еще слабое охлаждение почвы. Тепло из нее поступает к верхним горизонтам снега, так как его небольшая высота еще не препятствует проникновению тепла. Но, несмотря на сказанное, случаются отдельные редкие зимы (например, зима 1998-99 годов с температурой около -30°С в воздухе, наблюдавшейся 10-12 ноября), когда наблюдаются ранние, не особенно низкие, кратковременные понижения температуры на поверхности снега, наносящие существенные повреждения растениям и по своим последствиям мало уступающие зимним.

Наиболее пагубное воздействие на растения оказывают не столько понижения температур, сколько скорость их проявления в течение суток. Наблюдения показывают, что утром на снегу температура самая низкая, но уже к 10 часам, когда солнечные лучи касаются его поверхности, она повышается и на таком уровне удерживается до захода солнца, после чего она резко снижается и уже к 22 часам понижается до самых низких пределов, после чего охлаждение поверхности снега замедляется и начинается выхолаживание вышележащих слоев воздуха. Обычно повышение температуры на поверхности снега наблюдается с 8 до 14 часов, а понижение – с 14 до 20 часов, при этом нагревание тканей растений идет более интенсивно, чем последующее охлаждение в вечернее время. Скорость же оттаивания имеет решающее значение для выживаемости тканей плодовых растений. Сильное подмерзание тканей растений в приснежных слоях воздуха связано и с длительностью воздействия низких температур. Например, в одном из наблюдений низкие критические температуры на поверхности снега в течение суток удерживались 5-6 часов, в то время как на высоте 50 см – только не более 1 часа. Таким образом, резкие колебания температуры на поверхности снега в зависимости от времени и продолжительности их проявления, а также состояния растений наносят различные повреждения тканям (растрескивания коры и древесины, солнечные ожоги коры и древесины, повреждения древесины), нередко приводящие к гибели отдельных ветвей и ствола, а иногда и всей надземной части кроны выше снегового покрова.

Для лучшего понимания особенностей установления приснежных температур воздуха и в каком-то виде влияния на них хочу дальше более подробно в популярном виде рассмотреть механизм этого явления. Как известно, земля получает энергию посредством солнечной радиации (длина волн 0,3-2,2 мкм), а потеря энергии в пространство происходит за счет длинноволновой радиации (длина волн 6-100 мкм). Свойственная снежному покрову высокая отражательная способность меняется с длиной волны так быстро, что на более длинных волнах снег оказывается плохим отражателем, но зато хорошим излучателем. Хотя существенная часть длинноволновой радиации, излучаемая заснеженной земной поверхностью, возвращается к ней вследствие поглощения и излучения атмосферой, значительная часть ее (около 20%) теряется в пространстве. Если эти потери не компенсируются поступлением энергии из других источников, результирующий эффект выражается в понижении температуры воздуха, особенно в нижних слоях атмосферы. Температурный профиль воздуха, подверженного радиационному выхолаживанию в течение длительного времени, характеризуется очень низкой температурой у поверхности.

Регионом, где в России наблюдается интенсивное радиационное выхолаживание, в результате которого формируются воздушные массы, характеризующиеся очень низкой температурой у поверхности, слабыми ветрами и ясным небом, является Сибирь. При захвате сибирским антициклоном зоны Урала такие температуры нередко устанавливаются и в нашей области.

Согласно правилам лучистого теплообмена количество теплоты, выделяемой с поверхности снега при лучеиспускании, прямо пропорционально коэффициенту излучения снежной поверхности, ее площади, а также разности температур этой поверхности и слоев воздуха, с ней соприкасающихся. Заснеженная поверхность, образованная скоплением многочисленных отдельных снежинок и состоящих из них отдельных разнообразных блоков, представляет собой чрезвычайно шероховатую поверхность. Кроме того, и сами снежинки (атмосферные и снежные кристаллы) представляют собой также чрезвычайно шероховатые образования. Суммарная площадь такой поверхности оказывается намного большей, чем площадь, ограниченная только длиной и шириной поверхности. Особенно сильно шероховатость и суммарная площадь заснеженной поверхности увеличиваются при образовании ее свежевыпавшим снегом.

На рис. 2 приведено изменение коэффициента излучения тел с шероховатой (1) и гладкой поверхностью (2) в зависимости от угла излучения (А. Мачкаши, Л. Банхиди «Лучистое отопление», Москва, Стройиздат, 1985 г.). Из рис. 2 видно, что коэффициент излучения шероховатых поверхностей – значительно больший, чем гладких. К тому же коэффициент излучения шероховатых поверхностей при приближении угла излучения к 75-90° уменьшается медленнее, чем для гладких поверхностей. То есть, чем больше шероховата поверхность излучения, тем больше ее коэффициент излучения и тем в большем углу происходит излучение. А с учётом увеличения при этом до максимально возможной и самой излучающей поверхности можно говорить и о максимально возможной потере тепла этой излучающей поверхностью.

Откуда же берется тепло, расходуемое в процессе излучения? Это тепло берется из прилегающих к поверхности слоев снега. Но снежный покров благодаря содержанию в нем значительного количества воздуха обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Поэтому отрицательные температуры приснежных слоев воздуха распространяются на небольшую глубину. Из этих слоев снега и происходит выделение тепла, затрачиваемого на излучение. На рис. 3 приведена зависимость ослабления суточных колебаний температуры с глубиной в слое снега, взятая из «Справочника снега», Ленинград, Гидрометеоиздат, 1986 г. Из рис. 3 видно, что уже на глубине 40 см амплитуда суточных колебаний температуры снега полностью отсутствует, а на глубине 20 см имеет незначительную величину. Поэтому ориентировочно слой снега толщиной в 20 см можно считать ответственным за выделение тепла, расходуемого на излучение. Правда, при длительном стоянии сильных морозов амплитуда суточных колебаний температуры будет отсутствовать на глубине несколько большей чем 40 см, но и в этом случае для ориентировочной оценки можно считать ответственным за выделение тепла, расходуемого на излучение, слой снега в 20 см.

Удельная теплоемкость снега равна 2,115 кдж/кг°С. То есть при отнятии от 1 кг снега 2,115 кдж тепла на излучение снежной поверхностью его температура должна понижаться на 1°С. Но плотность снега очень небольшая (свежевыпавший снег имеет 50-300, уплотненный ветром снег – 150-400, фирн – 450-700 кг/куб.м). Поэтому этот 20-сантиметровый слой снега, прилегающий к снежной поверхности, имея в своем объеме невысокую его массу, вынужден для возмещения затрат тепла на излучение охлаждаться на большую величину градусов. Теплота внутри 20-сантиметрового слоя снега передается к его поверхности за счет теплопередачи благодаря теплопроводности. Наибольшие потери тепла на излучение и наибольшее снижение температуры снега и приснежных слоев воздуха, как уже указывалось выше, происходят в ясные, тихие, безветренные ночи при снежной поверхности, образованной свежевыпавшим снегом, толщиной не менее 40 см, исключающей поступление тепла от земли.

При рассмотрении особенностей образования приснежных температур воздуха и температуры поверхности снега во внимание принималась его ровная поверхность. Однако и в лесу, и в поле, и в саду имеются разные неровности, и снег в течение зимы благодаря им откладывается неравномерно. Попробуем рассмотреть, как влияют такие снежные возвышения на температуру снежной поверхности и на температуру приснежных слоев воздуха на их вершинах.

На рис. 4 для примера показаны два снежных сооружения: одно с круглой плоской поверхностью радиуса r и толщиной слоя, отдающего тепло, 20 см, другое со сферической поверхностью радиуса r с толщиной сферического слоя, отдающего тепло, 20 см (для наглядности у того и другого сооружения не показана одна их четверть). Сравнение указанных сооружений показывает, что площадь поверхности сферы второго сооружения больше плоской поверхности первого сооружения в 2 раза. Попробуем оценить отношение объема 20-сантиметрового слоя снега, участвующего в доставке тепла к снежной поверхности для излучения. В первом сооружении этот объем постоянен и постоянно отношение этого объема к излучающей поверхности. Во втором сооружении этот объем зависит от радиуса сферы и наименьшим получается при малых радиусах сферы. Зависимым от радиуса сферы получается и отношение этого объема от соответствующей ему поверхности сферы. Сравнение отношений 20-сантиметрового слоя снега к поверхности излучения для первого и второго сооружения показала, что для второго сферического сооружения при r=0,5 м оно было на 35% меньше, чем для первого плоского сооружения с тем же радиусом r, при r=1,0 м – на 18,5% меньше, при r=1,5 м – на 14,5% меньше, при r=2,0 м – на 10% меньше.

Таким образом, при сферическом снежном сооружении 20-сантиметровый слой снега содержит меньший его объем, использующийся для отдачи тепла определенной поверхности снега на лучеиспускание, чем такой же слой снега при плоском сооружении с такой же поверхностью. Кроме того, шероховатость и площадь поверхности сферы такого снежного сооружения оказывается значительно большей, чем эквивалентной по геометрическим размерам плоской снежной поверхности. Отсюда следует и проявление большей охлаждаемости снежной поверхности и приснежных слоев воздуха на вершине такого сферического снежного сооружения, чем на ровной поверхности снега. Такое снижение температуры воздуха на вершинах снежных сооружений наблюдается только в безветренные ночи. Способствует этому и свежевыпавший рыхлый снег, задерживающий сток более холодного воздуха с вершин.

Наблюдения за температурой воздуха на снежных возвышениях в Сибири, в европейской части России и в ряде других мест показали, что действительно в ясные безветренные ночи эти температуры на несколько градусов ниже, чем на ровной поверхности снега. В Сибири, по наблюдениям Г. В. Васильченко, разница этих температур достигает 2-4°С. То же самое можно считать и для нашей области. Такое установление отрицательных температур большее на возвышениях, чем на ровной поверхности снега, требует очень осторожного отношения к окучиванию деревьев и кустарников снегом. Надо всегда помнить и оценивать: принесет ли окучивание растений снегом пользу им? Окучивание растений снегом способствует благоприятным климатическим условиям окученных их частей и в то же время ухудшает температурные условия на границе снега их неокученных частей. В этих условиях целесообразно окучивать растения полностью. Но такое окучивание большеобъемных растений не осуществимо практически. Кроме того, при большом окучивании возможно подопревание растений и незавершение ими периода покоя, что сказывается на их росте весной и на плодоношении.

Учитывая все сказанное, садоводы-любители обязательно должны знать и учитывать возможность снижения температуры воздуха на ровной поверхности снега на 5-9°С, а на вершинах холмов и сугробов на 8-12°С по сравнению с температурой воздуха на высоте 1-1,5 м от этих снежных поверхностей в любую зиму. Для исключения влияния указанных экстремальных температур все малозимостойкие садовые растения следует пригибать к земле и полностью окучивать снегом. Садовые растения, зимующие в открытой форме – штамбовые яблони, сливы, вишни, абрикосы, сладкоплодные рябины, крупноплодные боярышники – следует выращивать на высокозимостойких штамбообразователях, прививая культурные сорта на высоту около 1,5 м. Никакого окучивания таких растений снегом не проводят. При окучивании садовых растений со средней зимостойкостью, выращиваемых в открытой форме, стремятся полностью окучить основание кроны с развилками ветвей, чтобы сохранить его зимой и восстановить из него в случае вымерзания части кроны, расположенные выше снегового покрова. С этой целью при формировании кроны дерева должно быть предусмотрено низкое расположение ее основания. Молодые плодовые деревья с прививкой в корневую шейку, зимостойкость которых всегда меньшая, чем взрослых таких плодовых деревьев, следует обязательно окучивать на максимально возможную высоту. Но во избежание возможности подопревания и непрохождения периода покоя диаметр снежного холма должен быть небольшим. Взрослые плодовые деревья с высокорасположенным основанием скелетных ветвей лучше также не окучивать, поскольку отмершая часть коры внизу более толстая и обладает большими теплоизолирующими свойствами. При защите живых тканей при окучивании таких деревьев снегом зона экстремальных приснежных температур приближается к развилкам оснований скелетных ветвей кроны, наиболее уязвимых к таким температурам. Кроны всех низкорослых плодовых деревьев даже без окучивания их снегом, только при естественном его снегопереносе, попадают в зоны приснежных экстремальных температур и в большей степени подвержены при этом подмерзанию, чем кроны высокорослых плодовых деревьев. По указанной причине в наших условиях должно быть мало перспективно выращивание в открытой форме карликовых, колонновидных и кустовидных плодовых деревьев. Эти деревья следует выращивать в стланцевой форме.

В. Н. Шаламов

(Уральский садовод)

Другие статьи В. Шаламова в разделе Шаламов Виталий Николаевич: статьи по садоводству

Внимание, только СЕГОДНЯ!