79. Какие существуют методы предсказания заморозков ? Меры предкпреждения и борьбы с заморозками?

Методы прогноза заморозков

Известно, что заморозки наносят значительный ущерб сельскохо-

зяйственному производству. Для обеспечения эффективной защиты

сельскохозяйственных растений от заморозков необходимо надежное их

предсказание или прогноз. Исследователи давно отметили определен-

ное сходство в условиях погоды, наблюдаемых при заморозках: это не-

значительная облачность или ее отсутствие, слабый ветер или штиль,

низкая влажность воздуха и почвы.

Возникновение заморозков определяется совокупностью ряда факто-

ров, в том числе основных: 1) климатогеографического, 2) физико-ме-

теорологического и 3) биологического (Чудновский А.Ф., 1949).

1. Это влияние на феномен заморозка географического положения

местности (широта, долгота и высота над уровнем моря), а следователь-

но, и климата. Географические координаты и климат – это внешний фон,

основная среда, в которой протекают процессы образования заморозка:

интенсивность солнечной радиации, характер основных, сезонных синоп-

тических процессов, макрорельеф местности, зональный тип почв и т.п.

2. Категория влияний малого масштаба, местных условий – погоды, поч-

вы, мезорельефа и др. относится к физико-метеорологическим факторам

образования заморозка. Эти факторы определяются при анализе местных

аэродинамических и термодинамических условий приземного слоя воз-

духа над конкретной подстилающей поверхностью, облачности, скорости

ветра, температуры и влажности воздуха, высоты Солнца над горизонтом,

а также учета свойств поверхности – тепловых и структурных характерис-

тик почвы, ее влажности, степени покрытия ее растительностью и др.

3. Биологический фактор характеризуется природой растения, отра-

жающей особенности живой ткани и биологических процессов, протекаю-

щих в надземных и подземных органах, т.е. должны учитываться степень

морозоустойчивости и заморозкоустойчивости конкретных видов и сор-

тов возделываемых культур.

Таким образом, для глубокого исследования природы заморозков

и составления научно обоснованного прогноза его возникновения агро-

метеорологу необходимы достаточные познания в области биологии и

физиологии растений, метеорологии (термодинамика, аэродинамика,

синоптика), в области почвоведения, физики и математики.

Своевременное предупреждение о сроках наступления и ожидаемой

интенсивности заморозков способствует снижению ущерба, а в отде-

льных случаях позволяет избежать их тяжелых последствий для расте-

ниеводства. Для предупреждения наступления заморозков разработаны

различные методы их расчета и прогноза. Вторжение холодных масс

воздуха, обусловливающих адвективные и адвективно-радиационные за-

морозки на больших территориях, достаточно надежно прогнозируются

синоптиками с заблаговременностью 1…3 суток. Выше уже отмечалось,

что в зависимости от местных условий, интенсивность заморозков может

быть различной (рельеф, крупные водные объекты, лесные массивы и

т.п.). Поэтому агрометеоролог, знающий местные условия, должен уточ-

нить синоптический прогноз для своей территории.

Большое распространение в расчетах возникновения заморозков по-

лучили наиболее простые эмпирические методы, использующие данные

показаний сухого и смоченного термометра, расчета точки росы, суточной

амплитуды, а также графические и комбинированные методы. Авторами

этих методов (правил) являются многие отечественные и зарубежные уче-

ные: М.Е. Берлянд, В.А. Михельсон, П.И. Броунов, А.Ф. Чудновский и дру-

гие. Все эти методы определяют искомый ночной температурный минимум

с помощью измеренных накануне вечером или ночью температуры и влаж-

ности воздуха. Коэффициенты, используемые в таких методах, устанавли-

вают путем статистической обработки массовых материалов наблюдений

над заморозками и сопутствующими им метеорологическими элементами,

выполненных для конкретных территорий и месяцев года.

Так для вычисления минимальной температуры воздуха и почвы Ми-

халевский предложил следующую формулу:

min( ) T = t′ − ( t − t′ )C ± A; (18.3)

( ) = min n T t′ − ( t − t′ )2C ± A, (18.4)

где min( ) T и min(n) T – минимальная температура воздуха и почвы соот-

ветственно; t и t′– температура по сухому и смоченному термометрам в

13 ч соответственно, °С; C – коэффициент, зависящий от относительной

влажности воздуха ( f ) в 13 ч, который находится по данным (табл. 18.5).

Относительная влажность воздуха определяется по значениям t и t′ из псих-

рометрических таблиц; A – поправка на облачность, которую вводят после

наблюдений в 19 или 21 ч по следующим градациям: если облачность незна-

чительна (0…3 балла), то A = -2°С; при средней облачности 4…7 баллов

A = 0, т.е. поправка не вносится; при облачности 8…10 баллов A = 2 °С.

Например, t= 7°С, t′= 3,6 °С, f = 52 %, в 21 ч – ясно. По табл. 18.5

при f = 52 % C =1,2 . Тогда по формулам (18.3) и (18.4) min( ) T = 3,6 –

–(7,0 –3,6) · 1,2 = -0,5°С.

Методы защиты сельскохозяйственных и плодовых

культур от заморозков

Многочисленными исследованиями было показано, что воздействуя

на различные факторы, определяющие тепловой режим приземного

слоя, можно уменьшить понижение температуры. Ночное выхолажива-

ние уменьшится, если снизить эффективное излучение, увлажнить по-

верхность почвы, увеличить перемешивание приземного слоя воздуха

(турбулентный обмен) и т.п.

Для защиты ценных сельскохозяйственных культур от заморозков

применяют различные методы, объединяемые понятием борьба с замо-

розками. Это – комплекс локальных, агротехнических, технологических

и технических мероприятий, проводимых среди посевов сельскохозяйс-

твенных культур, садов и виноградников с целью уменьшения потерь теп-

ла растениями за счет собственного излучения и искусственного повыше-

ния температуры нижнего слоя приземного воздуха.

К наиболее распространенным методам защиты растений от замо-

розков, обеспечивающих реальную защиту посевов и садов на больших

площадях, относятся: метод создания дымовых завес или окуривание

посредством дымовых куч и открытый обогрев с помощью горелок или

специальных технических установок.

Имеются сведения, что еще 2000 лет назад римляне размещали ды-

мовые кучи для защиты виноградников от заморозков. Такой способ был

широко распространен в странах Центральной Европы в XVIII и XIX ве-

ках. Уже тогда предполагалось, что одновременное ≪окуривание≫ дымом

плантаций на больших площадях может принести значительный успех

земледельцу. В России ≪окуривание≫ посредством дымовых куч является

наиболее распространенным и доступным. В начале XX века известный

ученый-селекционер И.В. Мичурин писал, что метод ≪окуривания≫ –это

≪самый лучший из всех и самый верный предохранитель цветков плодо-

вых деревьев от утренних заморозков≫.

Для создания дымовых куч используется различный растительный ма-

териал, обычно малопригодный для других целей (ботва овощных культур,

хвоя, сучья, мох, прелая солома, опилки, мусор и другие горючие отходы

растениеводства и лесного хозяйства). Возможно использование и более

ценных материалов –торфа, древесного и каменного угля, при этом их

тепловая мощность может быть заметно повышена путем добавления

к ним различных минеральных масел, смол, мазута и т.п.

В ночное время дым от специально собранных и расставленных по

защищаемой территории дымовых куч снижает эффективное излучение

на несколько процентов. Тепловой эффект от этого способа в большей

мере связан с непосредственным распространением тепла, образующе-

гося при сгорании куч, чем с густым дымом. В целях получения большего

количества дыма обычно употребляют увлажненный горючий материал

(при средней влажности 30…40 %). Однако в таком количестве влаги сни-

жается тепловой эффект при сжигании кучи. Значительное увлажнение

дымовых куч полезно лишь при высокой влажности воздуха (98…100 %),

поскольку в таких случаях испарившаяся влага при горении кучи вновь

конденсируется в воздухе и тем самым увеличивает плотность дымового

шлейфа, а следовательно, уменьшает лучистую теплоотдачу земли. Теп-

ло, затраченное на испарение влаги, возместится теплом, выделяющим-

ся при конденсации водяного пара.

Этот способ является одним из видов открытого обогрева сравни-

тельно небольшой интенсивности. В то же время известно, что для ос-

лабления солнечной радиации необходимо значительно меньше дыма,

чем для уменьшения эффективного излучения земли; утром после замо-

розков метод ≪окуривания≫ можно использовать как дымовую завесу для

предохранения растений от быстрого размораживания их тканей.

Другим видом открытого обогрева являются специальные грелки с

использованием твердого и жидкого топлива (каменный уголь, нефть,

мазут, природный газ и др.). Известны различные типы грелок, например

конструкции В.Г. Никифорова. Тепловой эффект ( ΔT ) грелок этого типа__

Считается, что при искусственном повышении температуры на 1…2 °С

значительно снижается вероятность опасного заморозка, а повышение

на 3…4 °С почти полностью обеспечивает сохранность урожая. Однако

создание необходимого теплового эффекта – повышения температуры

на каждые 0,5…1 °С – на больших производственных площадях в услови-

ях постоянного переноса масс воздуха и вертикального их перемешива-

ния связано с большими материальными затратами. Коротко рассмотрим

основные методы активной борьбы с заморозками.

Дымление – или создание дымовой (аэрозольной) завесы. Дымо-

вые и туманные завесы представляют собой взвешенные в приземном

слое воздуха мелкораздробленные твердые и жидкие частицы. Физи-

ческий смысл теплового эффекта от дымления исследован, в частности,

М.Е. Берляндом, П.Н. Красиковым, (1960). В приземном слое воздуха

тепло, выделяющееся при образовании дыма ( ΔTтепл ), распространяет-

ся от источника подобно взвешенной примеси. Если известна концентра-

ция дыма, то повышение температуры воздуха ( тепл ΔT ) вычисляется по

формуле М.Е. Берлянда, П.Н. Красикова (1960):

p c ρ тепл ΔT / q = Q / D , (18.6)

откуда тепл ΔT = qQ / p c ρD , (18.7)

где p c – теплоемкость; ρ – плотность воздуха ( p c = 0,24 ккал/кг на 1 °С;

ρ = 1,3 кг/м3); q – весовая концентрация дыма, которая рассчитывается

или измеряется с помощью специальной аппаратуры; Q – количество

тепла, выделяемое источником в единицу времени (определяется путем

умножения теплотворной способности дымовой смеси на ее количество,

расходуемое в единицу времени; D – масса частиц дыма, образующаяся

при сгорании дымовой смеси в единицу времени. Величина p c ρ тепл ΔT

представляет собой количество тепла, расходуемое на нагревание еди-

ницы воздуха на величину тепл ΔT .

Приведенные формулы показывают, что отношение этого количества

тепла к концентрации дыма, т.е. к весу дыма в единице объема, равно

отношению количества тепла, выделенного источником, к массе образу-

ющихся дымовых частиц. Например, если принять, что на 1 м линейного

источника дыма сжигается 20 кг шашек в 1 час, то на некотором рассто-

янии от источника q = 0,15 г/м3. Известно, что в состав дыма переходит

50 % массы вещества сжигаемых шашек, теплотворная способность ко-

торых 500 ккал/кг. Отсюда D = 10 кг/ч, Q = 10 000 ккал/ч. Подставляя эти

значения в формулу (18.7), получим ΔT ≈ 0,5 °С.

Эффективное излучение Земли зависит главным образом от погло-

щения тепловой радиации водяным паром атмосферы. Весь спектр теп-

лового излучения Земли заключается практически в пределах 1…50 мк

(1 мк = 0,001 мм). Прозрачные интервалы сосредоточены на участке

8…12 мк, что соответствует максимуму земного излучения. Ослабление

радиации в дымовой завесе обусловлено избирательным поглощением

и рассеянием на частицах дыма в сторону, противоположную распро-

странению радиации. Величина уменьшения эффективного излучения

зависит от концентрации дыма, толщины его слоя, а также от самого

эффективного излучения. Концентрация дыма и высота дымовой заве-

сы обусловливаются расходом дымовых веществ в единицу времени на

единицу длины линейного источника и скоростью ветра.

Снижение эффективного излучения в дыму приводит к уменьшению по-

тери тепла почвой и падению температуры подстилающей поверхности в

ночные часы. Выигрыш тепла на задымленном участке вследствие умень-

шения эффективного излучения распределяется между приземным слоем

воздуха и поверхностным слоем почвы. Чем большее количество тепла

пойдет на нагревание воздуха, тем меньше будут потоки тепла в почву. От-

сюда повышение температуры ΔTизл в дымовой завесе зависит не только

от снижения эффективного излучения, но и от турбулентного обмена, ско-

рости ветра в приземном слое воздуха и теплопроводности почвы.

Значительно увеличивается эффективность дымовой завесы при на-

личии лесных полос в связи с уменьшением скорости ветра. Действие

лесной полосы сказывается в первую очередь на большем снижении эф-

фективного излучения при одних и тех же расходах дымовых средств на

межполосных и открытых участках.

Широкое применение получили дымы, создаваемые путем сжигания

и возгонки10 специальных смесей и нагревания, в состав которых частич-

но входят гигроскопические (поглощающие влагу) вещества. Например,

различные по составу дымы от шашек, применяемых в различных целях

в отраслях экономики, в том числе при дымлении на посевах и в садах.

Дымообразующими веществами или дымообразователями называют

такие химические вещества, которые при введении в атмосферу в мелко-

распыленном состоянии дают устойчивый дым или туман.

Для борьбы с заморозками более удобно получение дымов посредст-

вом конденсационного метода. Сущность его заключается в том, что ве-

щества, вначале переведенные в парообразное состояние (или находящи-

еся в виде газов), уплотняются, образуя твердые или жидкие взвешенные

в воздухе мелкие частицы. На практике используют различные дымообра-

зователи, подробно описанные в работе М.Е. Берлянда, П.Н. Красикова__

Для защиты растений от заморозков широко применяются также ме-

тоды поливов и дождевания посевов (посадок). Метод полива может

использоваться в таких засушливых районах, где функционирует оро-

сительная система. Орошение, как известно, неприменимо на почвах с

повышенной влажностью, а также для сельскохозяйственных культур, не

переносящих сильного увлажнения. В южных регионах бывшего СССР

температура поливной воды в осеннее время обычно на несколько гра-

дусов выше (на 6…10 °С и более), чем температура поверхности почвы

во время заморозка. Таким образом, при поливе плантаций (хлопчатни-

ка, виноградников и других теплолюбивых культур) более теплой водой

перед заморозком в почву вносится значительное количество тепла при

средних нормах орошения 700…1000 м3 на 1 га. В результате температу-

ра с глубиной возрастает и происходит передача тепла от нижних, более

теплых слоев почвы, к верхним, более холодным. При этом теплопровод-

ность почвы возрастает, и температура охлажденных верхних горизонтов

может повыситься в холодные ночи на 2…3 °С.

Другой важной причиной повышения температуры воздуха при поли-

ве является выделение теплоты конденсации водяного пара вследствие

увеличения влажности воздуха над орошаемым участком поля и повыше-

ния температуры точки росы. Некоторое повышение температуры почвы

может произойти и за счет выделения теплоты ее смачивания. Продолжи-

тельность защитного действия орошения составляет несколько суток. Счи-

тается, что метод полива смягчает интенсивный заморозок и полностью

защищает от слабых заморозков.__

К числу агротехнических приемов борьбы с заморозками относится,

в частности, размещение посевов сельскохозяйственных культур (в том

числе садов и виноградников) в наименее ≪морозобойных≫ площадях,

в том числе на возвышенностях и склонах, наименее подверженных за-

морозкам. Для этого в пределах конкретного хозяйства заблаговременно

составляются микроклиматические карты распределения минимальных

температур в период радиационных заморозков. Они дают представле-

ние о заморозкоопасности различных участков землепользования, поз-

воляют заранее готовить средства защиты от заморозков и определять

расположение плантаций для посадок наиболее теплолюбивых культур.

Известными агротехническими приемами борьбы с заморозками яв-

ляются также: изменение времени посева на более поздние сроки, когда

вероятность возврата холодов становится незначительной; применение

повышенных доз калийных удобрений; укрытие растений с целью их

утепления. Для этого применяют разнообразные светопрозрачные мате-

риалы – пленку, стеклянные ≪колпаки≫ (теплицы, парники, оранжереи и

т.п.), а также тканые и подручные материалы. Эффективной считается

присыпка появившихся над землей молодых побегов картофеля, которые__отрастают в дальнейшем с положительным эффектом для формирования

дополнительного урожая клубней. Большая роль в снижении ущербов от

заморозков принадлежит селекции по выведению заморозкоустойчивых

культур, скороспелых сортов и др.

Перечисленные методы защиты ценных сельскохозяйственных куль-

тур от заморозков (открытый обогрев, дымление, различного рода укры-

тия, поливы, искусственная задержка цветения и т.п.) все-таки недоста-

точно эффективны из-за дороговизны, а также по причине относительно

небольших защищаемых площадей.