Get Adobe Flash player

Одна из любимых задачек по прикладной физике замечательного инженера и преподавателя Семенова Виталия Ивановича связана с заморозками. Этот термин слышал любой из нас, но физический смысл данного природного явления часто не могут объяснить даже люди, неплохо разбирающиеся в термодинамике. Притом, что постановка задачи звучит достаточно четко:

 

«Задача №1. Определить способ передачи тепла в процессе «выпадения» заморозков  на грунте. Т.е. определить каким образом замерзла роса на грунте, траве и деревьях. При этом: температура воздуха в течении ближайших суток не опускалась ниже 0оС. Дополнительное уточнение: заморозки (наиболее характерные) происходят в безветренные и безоблачные майские или августовские ночи».

«Задача №2. Предложить не менее трех принципиально разных способов защиты от заморозков».

 

 

Любопытно наблюдать за тем, как данные задачи раскладывают по частям, попутно вспоминая и первое начало термодинамики1, и определение теплоты2, и способы передачи тепла3 и все равно не находят правильный ответ.

Прежде чем прочитать следующую подборку материалов из сети Интернет на тему заморозков предлагаю самостоятельно попробовать их решить.

 

1-Первое начало термодинамики гласит, что количество энергии в любой термодинамической системе постоянно. Энергия не появляется и не исчезает, а переходит из одной формы в другую…

2-Термодинамически теплота определяется как энергия, переходящая из одного тела в другое в результате разности температур между телами. ..Теплота покидает одно тело и поглощается другим, температура которого ниже тела, теряющего энергию.

3-Передача энергии в виде теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью конвекцией и излучением.

Значение термина ЗАМОРОЗКИ.

Заморозки (утренники) - понижение температуры воздуха на поверхности почвы и растений ниже 0°С при положительных среднесуточных температурах воздуха.

Различают адвективные, радиационные и адвективно-радиационные заморозки.

 

Адвективные ЗАМОРОЗКИ.

Название происходит от слова «адвекция» - доставка, вторжение. Адвективные заморозки возникают в результате наступления волн холодного арктического воздуха с температурой ниже 0°С обычно в начале весны и поздней осенью, при полной облачности и значит, силе ветра; могут держаться в течение нескольких суток.

Эффективных средств борьбы против этого вида весенних заморозков нет, поскольку в этом случае холодные воздушные массы воздействуют на растения в течение длительного времени. К счастью, бывают такие весенние заморозки, в основном, в северных регионах, где сроки посева (посадки) огородных культур более поздние, чем в средней полосе или на юге.

 

Радиационные ЗАМОРОЗКИ.

Поверхность земли нагревается посредством прямой солнечной радиации. Кроме того, нагретая за счет рассеянной радиации атмосфера часть своего тепла отдает почве. Земля получает тепло солнечной радиации и атмосферы и, в свою очередь, выделяет тепловую энергию в окружающую среду (длинноволновая радиация). Происходят радиационные весенние заморозки перед восходом солнца в ясную и тихую погодуприотносительнонизкихсреднесуточныхтемпературахи интенсивном ночном излучении.Длинноволновая радиация земли усиливается, поверхность почвы быстро охлаждается. Их уровень существенно зависит от форм рельефа. Так, в низинах они происходят чаще, чем в возвышенных местах или на склонах, т. к. в вогнутых формах рельефа ночное понижение температуры усилено, холодный воздух дольше застаивается. Поэтому при радиационных заморозках повреждаются в основном растения, расположенные на пониженных местах вогнутых форм рельефа. Заморозки этого типа ограничиваются продолжительностью ночи и длятся обычно 5-6 ч подряд.

Весенние заморозки повреждают листья, распускающиеся почки, верхушки побегов, соцветия винограда, осенние заморозки - листья, иногда ягоды.

 

Скрытые весенние ЗАМОРОЗКИ.

Скрытые весенние заморозки случаются довольно редко и обычно предшествуют другому виду весенних заморозков – радиационному. В этом случае температура на поверхности растений опускается ниже нуля градусов при положительной температуре окружающей среды.

 

Адвективно-радиационные ЗАМОРОЗКИ.

Адвективно-радиационные заморозки образуются в результате вторжения относительно холодного воздуха и дальнейшего его охлаждения из-за ночного излучения.

 

Противодействие радиационным заморозкам.

Активные меры противодействия заморозкам – обогрев площади огорода газовыми или жидко-топливными горелками, применение мощных вентиляторов для перемещения воздушных слоев или непрерывное, укрытие теплолюбивых растений и почвы около них пленкой или неткаными материалами, обильный полив накануне заморозка, мульчирование почвы органическими материалами. На небольших площадях в безветренную погоду может быть эффективным задымление.

Над участком с хорошо увлажненным грунтом при снижении температуры воздуха происходит конденсация, сопровождающаяся выделением тепла. Огород, прикрытый облаком водяных паров, вполне может противостоять радиационному весеннему заморозку. Влажная почва сохраняет тепло гораздо лучше. Рано утром температура поверхности влажной почвы, как минимум, на 1 градус выше, чем сухой. Стратегическое значение для защиты сельскохозяйственных культур от заморозков (в условиях осушенных торфяников), приобретает орошение, дождевание, строительство прудов, водохранилищ, оросительных систем для изменения микроклимата на осушенных торфяниках, что позволит уменьшить ночное снижение температур на 8-10 градусов.

P.S. Полагаю теперь все стало на свои места. Радиационные заморозки, а именно о них шла речь в поставленной задаче, происходят благодаря излучению Земли в космическое пространство. Аналогично и Земля получает энергию от Солнца. Любопытно отметить, что все способы борьбы с радиационными заморозками основаны на трех способах передачи тепла. В одних случаях пытаются компенсировать потери тепла путем теплопередачи между грунтом и водяной пленкой или влажным воздухом. В других - исключить излучения, организовав защитный экран в виде полиэтиленовой  пленки, дыма или тумана. В третьих обеспечили интенсивную конвекцию…

 

P.P.S. Надеюсь, Вам понравились эти задачки. Лишний раз можно убедиться, насколько обычные обыденные явления могут быть загадочными и удивительными…

 

P.S. P.S. Предлагаю самостоятельно решить ещё три задачи: 1) как образуется туман после дождя? 2) как образуется утренняя роса? 3) как образуется зимой иней на деревьях?

 

МСМ.