О влиянии заснеженной поверхности на температуру воздуха
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.
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 (рис. 1). 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 учетом 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