Hypotheses, Discoveries and Technologies

pdf-version

Determination of the possible amount of dew on the surface of plants

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 (T_S) ниже точки росы (T_D), при температуре воздуха T_A > T_D, 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 T_S 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).

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.

Fig. 1. Experimental installation for collecting condensate on the surface of TEM (Peltier element) with cooler.

Установка была размещена в климатической камере собственной разработки, объемом 4 м³, оснащенной системами поддержания температуры (T_A) 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 T_A установка включалась на 30 минут. Напряжение питания ТЭМ регулировалось с помощью потенциометра таким образом, чтобы достичь необходимой T_S в интервале 0…12° С ниже T_D. 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 (T_S, °C), влажности (RH, %) и температуры воздуха (T_A, °C), а также точки росы (T_D, °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, T_A, T_S, T_D, средних значениях (Average) и стандартных отклонениях (STDEV.P) этих величин в течении 30 минут при максимальных и минимальных значениях T_A, 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

Table 1. An examples of the fluctuations of the measured parameters during the experiment at maximum and minimum values of air temperature

Диапазон испытанных климатических условий (RH 46,2…65,6 %; T_A=13,2…31,5° C; T_D=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).

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, T_A, T_S, T_D, T_S - T_D 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,T_A, T_S, T_D, за период сбора конденсата

Table 2. Data on the amount of condensate collected in 30 minutes (C₀) and calculated per unit surface per hour (C), as well as the average values of RH, T_A, T_S, T_D, for the period of condensate collection

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

Рис. 2. Зависимость эффективности конденсации воды (C) от снижения T_S относительно T_D.

Fig. 2. The dependence of the efficiency of water condensation (C) on the reduction of T_S relative to T_D.

Из приведенных ниже диаграмм (рис. 3 A-F), включающих данные при T_A < 20°C и T_A > 30°C, при RH < 50% и RH > 60% , T_D < 10°C и T_D > 15°C видно, что эффективность конденсации влаги возрастает с увеличением T_A и T_D, и снижается с возрастанием RH. K_C 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 T_S относительно T_D при  T_A < 20°C (A) и T_A > 30°C (B), при RH < 50% (C)  и RH > 60% (D), при T_D < 10°C (E) и T_D > 15°C (F).

Fig. 3. The dependence of the efficiency of water condensation (C) on the reduction of T_S relative to T_D at  T_A < 20°C (A) and T_A > 30°C (B), at  RH < 50% (C) and RH > 60% (D), at  T_D < 10°C (E) and T_D > 15°C (F). 

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.

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