Прохоров А. А., Пяскин Р. И. Определение возможного количества росы на поверхности растений // Hortus bot. 2019. Т. 14, URL: http://hb.karelia.ru/journal/article.php?id=6526. DOI: 10.15393/j4.art.2019.6526


Гипотезы, открытия и технологии

pdf-версия статьи

УДК 581.5+53.07

Определение возможного количества росы на поверхности растений

Прохоров
Алексей Анатольевич
Петрозаводский государственный университет, alpro@onego.ru
Пяскин
Роман Игоревич
Петрозаводский государственный университет, pri-tesla@mail.ru
Ключевые слова:
технология, элемент Пельтье, конденсация, точка росы
Аннотация: Цель работы состояла в экспериментальном определении количества влаги, которое может сконденсироваться на поверхности растения при охлаждении ниже точки росы. Для оценки количества конденсируемой воды на поверхности, охлажденной ниже точки росы, была собрана установка с термоэлектрическим модулем  площадью 9 см2. Установлено, что коэффициент конденсации воды KC изменяется в диапазоне от 1,3 до 2,1 мг/(см2 x час x град) в зависимости от величины относительной влажности и температуры воздуха, что соответствует 156…252 граммам росы на 1 м2 поверхности растений охлажденной на 1°C ниже точки росы или 780…1260 граммам на 1 м2 поверхности растения, охлажденной на 5°C ниже точки росы за 12 часов (ночное время).
Рецензент: В. А. Гуртов
Получена: 20 сентября 2019 года
Подписана к печати: 31 октября 2019 года

Введение

В 2013 году была предложена гипотеза (Прохоров, 2013), состоящая в том, что растения активно конденсируют атмосферную влагу на своей поверхности за счет снижения температуры поверхности побегов и листьев (TS) ниже точки росы (TD), при температуре воздуха TA > TD, т.е. при отсутствии тумана. При этом под словом «активно» понимается как снижение температуры поверхности за счет физиологических и физических механизмов, так и увеличение объема конденсируемой воды за счет увеличения поверхности кроны.

Исследования циркадных ритмов температуры поверхности растений показали стабильное снижение температуры поверхности листьев винограда ниже точки росы на 1-2° С с 18-19 часов до 9-10 утра, а в ясные дни на 2-3° С до полудня (Прохоров, 2018). В других полевых исследованиях зарегистрировано снижение TS на 1…8° С ниже точки росы (Прохоров, 2015a; Карпун и др., 2015).

Следующая задача состояла в экспериментальном определении количества влаги, которое может сконденсироваться на поверхности растения при охлаждении ниже точки росы. Однако количественное определение конденсата на поверхности живых растений практически невозможно, что затрудняет оценку значения данного явления как для отдельных растений, так и для экосистем.

Технически подобная задача решена с помощью устройств с использованием элементов Пельтье (Nikolayev et all., 1996), а в отдельных работах показана связь эффективности конденсации с влажностью воздуха и температурой (Joshi et all., 2017), а также влажностью и интенсивностью потока воздуха (Muñoz-García et all., 2013).

Объекты и методы исследований

Для оценки количества конденсируемой воды на поверхности, охлажденной ниже точки росы, была собрана установка на базе комплекта для создания холодильной системы № 1 с термоэлектрическим модулем (ТЭМ) TB-127-1,0-1,3, Snowball-71 размером 3х3 см (производство «Криотерм») (рис. 1.) и блоком питания RS-100-12 (производство «Mean Well») с регулятором мощности.

Рис. 1. Экспериментальная установка для сбора конденсата на поверхности ТЭМ (элемента Пельтье) с воздушно охлаждаемым радиатором для отвода тепла.

Установка была размещена в климатической камере собственной разработки, объемом 4 м3, оснащенной системами поддержания температуры (TA) и относительной влажности воздуха (RH). В ходе экспериментов дополнительные потоки воздуха отсутствовали, за исключением потока воздуха от кулера, охлаждающего радиатор.

После достижения стабильных значений RH и TA установка включалась на 30 минут. Напряжение питания ТЭМ регулировалось с помощью потенциометра таким образом, чтобы достичь необходимой Tв интервале 0…12° С ниже TD. Сбор конденсата осуществлялся вручную с поверхности ТЭМ с помощью дисков фильтровальной бумаги Filtrak диаметром 7 см и весом около 300 мг.

Измерения количества конденсата осуществлялись сравнением массы фильтров до и после сбора конденсата. Использовались весы лабораторные ВЛ-124В (производство НПП «Госметр»). Пределы допускаемой погрешности весов - 0,5 мг.

Контроль температуры поверхности ТЭМ (TS, °C), влажности (RH, %) и температуры воздуха (TA, °C), а также точки росы (TD, °C), осуществлялся с помощью инфракрасного термометра с интегрированным модулем влажности Testo 835-H1 (производство Testo) c выводом данных на компьютер с интервалом 2 минуты. Учитывая, что поверхность ТЭМ изготовлена из керамики на основе оксида алюминия, нами использовался коэффициент эмиссии инфракрасного термометра = 0,92.

В таблице 1 в качестве примера приведены данные об изменениях RH, TA, TS, TD, средних значениях (Average) и стандартных отклонениях (STDEV.P) этих величин в течении 30 минут при максимальных и минимальных значениях TA, использованных в эксперименте. Обработка полученных данных осуществлялась с помощью MS Excel 2010.

Таблица 1. Примеры флуктуации величин измеряемых параметров в ходе эксперимента при максимальных и минимальных значениях температуры воздуха

Time RH, % TA, °C TS, °C TD, °C Time RH, % TA, °C TS, °C TD, °C
16:31:29 50,3 31,5 15,5 19,9 8:34:59 64,1 13,0 -1,5 6,4
16:33:29 50,9 31,4 15,6 20,0 8:36:59 64,3 13,0 -1,4 6,4
16:35:29 51,5 31,4 15,7 20,2 8:38:59 64,3 13,1 -1,0 6,5
16:37:29 52,1 31,4 15,7 20,4 8:40:59 64,6 13,2 -1,0 6,7
16:39:29 52,4 31,3 15,7 20,4 8:42:59 64,6 13,1 -1,0 6,6
16:41:29 52,9 31,4 15,7 20,6 8:44:59 64,7 13,1 -0,9 6,6
16:43:29 53,1 31,4 15,7 20,7 8:46:59 64,6 13,2 -0,9 6,7
16:45:29 53,4 31,3 15,7 20,7 8:48:59 64,7 13,2 -0,8 6,7
16:47:29 53,6 31,4 15,8 20,8 8:50:59 64,7 13,2 -0,7 6,7
16:49:29 53,8 31,4 15,8 20,9 8:52:59 64,8 13,3 -0,7 6,8
16:51:29 54,0 31,5 15,8 21,0 8:54:59 64,9 13,3 -0,7 6,8
16:53:29 54,2 31,5 15,8 21,1 8:56:59 64,9 13,3 -0,7 6,8
16:55:29 54,3 31,5 15,9 21,1 8:58:59 64,9 13,3 -0,7 6,9
16:57:29 54,5 31,4 15,9 21,1 9:00:59 65,0 13,3 -0,7 6,9
16:59:29 54,6 31,5 15,9 21,2 9:02:59 65,1 13,4 -0,6 7,0
Average 53,0 31,4 15,7 20,7 Average 64,7 13,2 -0,9 6,7
STDEV.P
=0,05)
1,3 0,1 0,1 0,4 STDEV.P=0,05) 0,3 0,1 0,3 0,2

Диапазон испытанных климатических условий (RH 46,2…65,6 %; TA=13,2…31,5° C; TD=6,7…20,7° C) примерно соответствует условиям ряда пустынь и полупустынь, в которых предполагается наличие эффективного самоорошения растений за счет конденсации атмосферной влаги (Прохоров, 2015b).

Результаты и обсуждение

В таблице 2 приведены данные о количестве собранного конденсата за 30 минут (C0) и пересчитанные на единицу поверхности в час (C), а также усредненные значения RH, TA, TS, TD, TS - TD за период сбора конденсата.

Таблица 2. Данные о количестве собранного конденсата за 30 минут (C0) и пересчитанные на единицу поверхности в час (C), а также усредненные значения RH,TA, TS, TD, за период сбора конденсата

C0, mg C, mg/(cm2 x hour) RH, % TA, °C TS, °C TD, °C
51,7 11,5 63,5 21,6 7,6 14,3
0,2 0,0 58,6 23,1 13,6 14,5
7,8 1,7 56,4 24,1 11,3 14,9
50,5 11,2 54,9 24,9 11,0 15,2
12,6 2,8 54,0 26,7 15,0 16,6
44,1 9,8 52,5 28,5 14,8 17,8
0,7 0,2 51,1 29,4 19,0 18,2
4,8 1,1 48,0 30,9 18,3 18,6
34,5 7,7 52,8 31,4 15,7 20,6
64 14,2 52,8 31,5 14,4 20,7
46,3 10,3 64,7 13,2 -0,9 6,7
45,4 10,1 65,0 13,9 -0,2 7,4
42,7 9,5 65,1 14,3 0,5 7,8
53,6 11,9 64,8 14,9 -2,8 8,3
73,4 16,3 65,6 15,5 -2,2 9,1
21,7 4,8 65,1 15,9 4,9 9,4
20,6 4,6 64,7 16,2 6,1 9,6
22,4 5,0 64,2 16,2 4,9 9,5
6,9 1,5 59,9 19,9 8,8 11,9
1,5 0,3 56,3 20,8 9,6 11,8
1,9 0,4 55,7 21,0 10,6 11,8
34,5 7,7 55,3 21,2 6,3 11,9
25,2 5,6 54,1 21,3 6,5 11,6
16,5 3,7 53,0 21,4 7,4 11,4
54,1 12,0 52,2 21,5 3,7 11,3
52,6 11,7 51,4 21,6 3,6 11,1
47,3 10,5 50,7 21,7 3,8 11,0
2,2 0,5 46,2 27,5 13,2 14,9
4,1 0,9 47,0 27,9 13,3 15,5
22,6 5,0 48,7 29,0 14,1 17,1
54,3 12,1 47,0 30,0 11,2 17,5
55,3 12,3 47,5 30,2 11,4 17,8
47,2 10,5 47,0 30,8 12,1 18,2
92,3 20,5 46,5 30,7 8,9 18,0
90,3 20,1 47,2 30,9 9,2 18,3
101,9 22,6 47,3 31,1 8,9 18,6
42,5 9,4 60,6 20,3 5,2 12,4
32,9 7,3 58,4 20,4 5,7 12,0
32,2 7,2 57,5 20,5 5,4 11,8
56,4 12,5 56,6 20,6 2,2 11,7
58,2 12,9 55,2 20,9 2,3 11,6
45,3 10,1 52,3 21,6 3,1 11,4
62,8 14,0 59,6 21,6 4,5 13,4
62,7 13,9 60,9 21,7 4,8 13,8
57,6 12,8 60,4 21,6 4,9 13,6

Из диаграммы (рис. 2) видно, что количество конденсата практически линейно возрастает по мере снижения TS относительно TD. Линейная аппроксимация позволяет вывести коэффициент конденсации KC≈1,6 мг/(см2 x час) для усредненных значений RH= 55 %, TA= 23,3° C и TD=13,6° C. Наблюдаемый разброс данных определяется вкладом RH, TA и, соответственно, TD≈TA-(1-RH)/0,05, который можно определить, ограничив выборку данных определенным диапазоном условий.

Рис. 2. Зависимость эффективности конденсации воды (C) от снижения TS относительно TD.

Из приведенных ниже диаграмм (рис. 3 A-F), включающих данные при TA < 20°C и TA > 30°C, при RH < 50% и RH > 60% , TD < 10°C и TD > 15°C видно, что эффективность конденсации влаги возрастает с увеличением TA и TD, и снижается с возрастанием RH. KC во всех случаях изменяется в диапазоне от 1,3 до 2,1 мг/(см2 x час x град).

Более насыщенный влагой воздух имеет более высокую теплоемкость, следовательно, более сухой воздух остывает быстрее около поверхности ТЭМ, что приводит к повышению эффективности конденсации при снижении RH, что подтверждается независимыми данными (Muñoz-García et all., 2013 (Fig. 10)).

При повышении температуры до 35°C теплоемкость воды (водяных паров) снижается, и в эксперименте мы наблюдаем повышение эффективности конденсации воды.

Рис. 3. Зависимость эффективности конденсации воды (C) от снижения TS относительно TD при  TA < 20°C (A) и TA > 30°C (B), при RH < 50% (C)  и RH > 60% (D), при TD < 10°C (E) и TD > 15°C (F).

Выводы и заключение

В ходе проведенных экспериментов получены данные, позволяющие рассчитать количество росы, конденсируемой на поверхности надземной части растений.

Эффективность конденсации влаги, при отсутствии ветра, изменяется в диапазоне от 1,3 до 2,1 мг/(см2 x час x град), что соответствует 156…252 граммам на 1м2 поверхности растений, охлажденной на 1° C ниже точки росы, или 780… 1260 граммам на 1 м2 поверхности растения, охлажденной на 5° C ниже точки росы за 12 часов (ночное время). Это равноценно ежемесячному выпадению 4,7–38,2 мм осадков, что значительно превышает среднемесячное количество осадков не только в пустынях и полупустынях, но и в засушливый период в семиаридных климатических условиях.

Количество росы снижается с ростом влажности воздуха в интервале 46…65 % и возрастает с ростом температуры воздуха в интервале 0…31° C, вероятно, во взаимосвязи с изменением термодинамических характеристик воздуха, зависящих от влажности и температуры.

Благодарности

Исследования частично выполнены в рамках проекта РФФИ 18-44-100002 р_а.

Литература

Прохоров А. А. Активная конденсация воды растениями // Принципы экологии. 2013. № 3. С. 58—61.

Прохоров А. А. Точка росы - неизученный фактор в экологии, физиологии и интродукции растений // Hortus bot. 2015a. Т. 10. С. 4—10. URL: http://hb.karelia.ru/journal/article.php?id=2801 . DOI: 10.15393/j4.art.2015.2801 .

Карпун Ю. Н., Коннов Н. А., Кувайцев М. В., Прохоров А. А. Активная конденсация атмосферной влаги как механизм самоорошения почвопокровных растений // Hortus bot. 2015. Т. 10. С. 11—17. http://hb.karelia.ru/journal/article.php?id=2802 . DOI: 10.15393/j4.art.2015.2802 .

Прохоров А. А. Температура поверхности растений и конденсация атмосферной влаги // Ботаника в современном мире. Труды XIV Съезда Русского ботанического общества и конференции «Ботаника в современном мире». Махачкала, 2018. Т. 3. С. 319—321.

Прохоров А. А. Оптимальные климатические условия для конденсации атмосферной влаги на поверхности растений // Hortus bot. 2015b. Т. 10. С. 18—24. http://hb.karelia.ru/journal/article.php?id=3143 . DOI: 10.15393/j4.art.2015.3143 .

Joshi V. P. et all. Experimental Investigations on a Portable Fresh Water Generator Using a Thermoelectric Cooler // Energy Procedia. 2017. Т. 109. С. 161—166.

Muñoz-García M. A. et all. Water harvesting for young trees using Peltier modules powered by photovoltaic solar energy // Comput. Electron. Agric. 2013. Т. 93. С. 60—67.

Nikolayev V. S. et all. Water recovery from dew // J. Hydrol. 1996. Т. 182. № 1—4. С. 19—35.




Просмотров: 75; Скачиваний: 26;