Исследование феномена «черемуховых холодов» и «бабьего лета» (стр. 1 )

Муниципальное образовательное учреждение дополнительного образования детей, центр дополнительного образования детей, центр экологии, краеведения и туризма

Тема: Исследование феномена «черемуховых холодов» и «бабьего лета»

Тип работы: исследовательская работа

Автор:

Стародубцев Алексей, 8 класс

МОУ «Лицей № 000».

Г. Зеленогорск, МБОУ ДОД ЦДОД «Центр экологии, краеведения и туризма»

Руководитель:

–

Зам. директора по НМР МОУ ДОД ЦДОД «ЦЭКиТ»

ЗАТО г. Зеленогорск – 2012 г.

Оглавление

Введение………………………………………………………………………………………….3

Глава 1. Обзор и анализ информационных источников, рассматривающих явление «черемуховых холодов»………………………………………………………………….……..4

1.1. «Черемуховые холода» и «бабье лето»………………………………………….….……..4

1.2. Гипотеза Кривоносовой Т………………………………………………………………….4

1.3. Ржеплинского……………………………………………………………………5

1.4. Причины «черемуховых холодов» и «бабьего лета» с точки зрения климатологов…...6

Глава 2. Основная часть…………………………………………………………………………6

2.1. Ход температуры воздуха весной и осенью, 2010 г., 2011 г…………………………….6

2.2. Фенологические наблюдения. ……………………………………………………………..6

2.3. Обзор и анализ информации, необходимой для проведения физико-математических расчетов и подтверждения гипотезы………………………………………………………….10

2.3.1. Что такое фотосинтез и с чем связана его интенсивность? ………………………….10

2.3.2. Хлорофилл и другие пигменты растений………………………………………………14

2.3.3. Солнечная энергия. Распределение солнечной энергии ……………………………..16

2.3.4. Солнечная радиация и ФАР……………………………………………………………..16

2.3.5. Использование ФАР растительностью…………………………………………………17

2.4. Проведение физико-математических расчетов…………………………………………..18

2.4.1. Черемуховые холода» 2010, 2011 г………………………………………….………….18

2.4.2. «Бабье лето» 2010, 2011 г. ………………………………………………………………20

2.5. Факты, подтверждающие роль фотосинтеза в исследуемых явлениях………………..21

Глава 3. Заключение…………………………………………………………………………...22

Результаты………………………………………………………………………………………22

Вывод……………………………………………………………………………………………23

Послесловие…………………………………………………………………………………….23

Библиографический список……………………………………………………………………24

Приложения……………………………………………………………………………………..26

Введение

Данная работа представляет собой попытку найти современное научное объяснение народным приметам, решить не специализированные, узко научные задачи, а проблемы, вызывающие всеобщий «общечеловеческий» интерес – природные явления «черемуховые холода» и «бабье лето».

Период весеннего похолодания, сопровождающийся понижением температуры атмосферного воздуха на 8-15°С, после установившейся по-летнему теплой погоды, в народе называют «черемуховыми холодами», так как сопровождаются они цветением черемухи. Народная примета гласит: «Зацвела черёмуха, и похолодание, тут, как тут».

Осенью, каждый человек ждет возвращения летнего тепла до 20-25° С, которое в народе называют «Бабье лето».

В литературе причины наступления «черемуховых холодов» рассмотрены недостаточно. Г. Ржеплинский, д. г.н. [10], связывает наблюдаемые явление с изменениями периода склонения луны, заслуженный метеоролог РФ – Р. Шафикова объясняет причину в смене муссонных потоков в процессе общей циркуляции атмосферы. Также были сделаны попытки объяснить этот феномен ученицей гимназии № 000 г. Зеленогорска [5]. Следует отметить, что названные теории различны, но не противоречат друг другу, однако не дают четкого понимания первопричин происходящих явлений.

По поводу «бабьего лета», в пособии , «Пигменты растительного мира» [6] говорится, что причиной «бабьего лета» является «золотая осень». Я не согласен и считаю, что багряные оттенки, в которые окрашиваются многие наши деревья перед листопадом, не играют какой-либо особой физиологической роли, а являются лишь показателем затухания процесса фотосинтеза, предвестником наступления периода зимнего покоя растений

Цель данной работы: выяснить причины наступления феноменов «черемуховых холодов» и «бабьего лета»

Гипотеза: причиной наступления черемуховых холодов и бабьего лета является запуск и прекращение процесса фотосинтеза.

Задачи:

1. Провести наблюдения за погодой весной и осенью, 2010, 2011 гг, зафиксировать «черемуховые холода» и «бабье лето».

2. Провести фенологические наблюдения за развитием листопадных деревьев, произрастающих в лесах г. Зеленогорска от момента набухания почек и распускания листьев до пожелтения листьев и листопада.

3. Произвести физико-математические расчеты влияния фотосинтеза растений на наступление черемуховых холодов и «бабьего лета» в Зеленогорске, с учетом географического местоположения г. Зеленогорска в Красноярском крае.

4. Найти косвенные факты, подтверждающие влияние фотосинтеза на исследуемые процессы.

Глава 1. Обзор и анализ информационных источников, рассматривающих явление «черемуховых холодов» и «бабьего лета».

1.1. «Черемуховые холода» - это период временного понижения температуры атмосферного воздуха на 8-15º, часто сопровождающийся заморозками в ночное время, после установления по-летнему теплой погоды. В народе такое понижение температуры называют «черёмуховыми холодами», так как сопровождаются они цветением черемухи. [21 ]

«Бабье лето» - это первый осенний период с устойчивой антициклонической погодой, когда ночное выхолаживание почвы и воздуха ещё не слишком сильное, а дневной прогрев хотя и существует, но не достигает предела, который воспринимался бы как жара. Существует даже разделение «бабьего лета» на молодое и старое. Считается, что молодое наступает в период с 28 августа по 11 сентября, старое – с 14 по 21 сентября. Однако, эти даты очень относительны, циклоны и антициклоны по расписанию не ходят, а такая погода устанавливается только под влиянием стационарной области повышенного давления. К сожалению, длятся эти периоды тоже не так долго. [19]

1.2. Гипотеза [5]

В течение периодов весна – осень 2005, 2006 гг. [2] велись фенологические наблюдения за сроками развития деревьев, а также наблюдения за ходом температурного атмосферного воздуха в г. Зеленогорске. Было установлено, что «среди всех учитываемых растений, первыми распускаются листья черёмухи. К моменту зацветания черёмухи (но не только ее, например, еще и яблони), происходит массовое распускание листьев большинства остальных деревьев и кустарников, что, естественно, сопровождается запуском фотосинтеза и использованием огромного количества солнечной энергии».

В подтверждение автор приводит расчеты: «Известно (Тейлор Миллер «Жизнь в окружающей среде», 1993), что лишь 1,2% всего потока солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. На первый взгляд, это ничтожно мало, но, учитывая то факт, что 42% идёт на нагрев земной поверхности и атмосферы, и если бы не эти 42%, температура воздуха на планете была бы минус 270ºС!!! Составляя простую математическую пропорцию можно увидеть, что на 1ºС тратится 0,15% солнечной энергии:

270ºС - 42% Х=1ºС х 42% / 270ºС =0,15%

1ºС – х%

Это значит, что энергия (1,2%) затраченная на фотосинтез, лишает атмосферу

(1,2% : 0,15%) =8ºС тепла. Вот почему на момент цветения черёмухи (когда происходит массовое распускание листьев большинства других деревьев и кустарников) мы наблюдаем снижение температуры (на 7 – 10ºС) - это и есть «черёмуховые» холода.» .[2]

Осенью же, после естественного климатического похолодания установлен факт потепления и наступления «Бабьего лета». Наступление «Бабьего лета» произошло после осенних заморозков и связано с прекращением фотосинтеза, так как при понижении температуры до +4 происходит разрушение хлорофилла, который играет непосредственную роль в фотосинтезе. Отсюда следует, что 1,2% солнечной энергии остаются «невостребованными» и дополняют те 42%, идущие на согревание атмосферы и поверхности земной коры до 43,2%, результатом чего и становиться «Бабье лето».

1.3. Ржеплинского:

Гипотеза основана на предположение о том, что черёмуха, вернее, периоды её вегетативного развития совпадают по времени с какими – то природными явлениями, влияющими на изменения погоды.

Для этого он (Г. Ржеплинский) посадил у себя на даче черёмуховое дерево, и из в года в год следил за цветением. Примета о похолодание за 12 лет оправдалась 10 раз. Учёному пришла в голову мысль сопоставить даты цветения черёмухи с периодами изменения склонения луны. .[10].

Для определения положения Луны были использованы символы: В – «высокая луна» и Н – «Низкая луна», смысл этих обозначений таков: В – интервал, равный 5 суткам, во время которого Луна в северном полушарии занимает своё самое высокое положение над горизонтом, то есть, достигает наибольшего северного склонения в южном полушарие, в это время Луна будет в самом низком положение. Н – интервал времени, тоже равный суткам, когда Луна достигает наибольшего южного склонения. Между В и Н – интервал времени, в пределах которого Луна переходит из южного в северное, то есть от Н к В.

Для перехода Луны от её наибольшего северного к наибольшему южному склонению требуется 13,65 суток – цикл или период этих движений Луны обратно равен 27,32 суток. .[10]

Вот какие закономерности отметил автор, когда сопоставил даты цветения черёмухи с периодами склонения луны: цветение черёмухи, независимо от того, раннее оно или позднее, почти во всех случаях (10 раз) начиналось во время перехода от интервала В к интервалу Н. А точнее, сразу же, после интервала В, характерны антициклонические преобразования, или, иными словами, хорошая солнечная погода. Но, далее следует интервал Н, характеризующийся циклоническими преобразованиями погоды, то есть прохождением облачности и осадков, похолоданием.

На мой взгляд, теория Г. Ржеплинского не противоречит тем фактам, которые я рассматриваю в настоящей работе.

1.4. Причины «черемуховых холодов» и «бабьего лета» с точки зрения климатологов.

- Р. Шафикова – заслуженный климатолог РФ. считает, что майский возврат холодов может быть проявлением смены муссонных потоков в процессе общей циркуляции атмосферы. Зимой муссонная составляющая ветра выносит с земной поверхности холодный материковый воздух к нагретым океанам. Когда начинается летний прогрев континентального воздуха зимний муссон прекращается и сменяется режимом западных ветров, так называемым летним муссоном, благодаря чему температура на континенте начинает расти. На стыке смены направленности муссонных потоков в мае еще наблюдается несколько возвратов на континент относительно холодного и более влажного морского воздуха.

- Одной из причин феномена «бабьего лета», объясняющего осеннее потепление, является вызванное увяданием листьев выделение большого количества тепла, которое поднимается вверх, разгоняет облака и повышает атмосферное давление. Таким образом, золотая осень вызывает антициклон, который в народе называют «бабьим летом». [23]

Гипотеза: я считаю, что причиной наступления «черемуховых холодов» и «бабьего лета» является запуск и прекращение процесса фотосинтеза, приводящего к изменению баланса солнечной энергии, достигающей земной поверхности весной и осенью.

Глава 2. Основная часть.

2.1. Ход температуры за период 28 апреля-15 июня 2010 г., 2011 г.

В течение всего периода велись наблюдения за ходом температуры атмосферного воздуха в г. Зеленогорске, в лесной зоне, на территории ЦЭКиТ, 4 раза в день: 8 ч. утра, 12.00-13.00, 18.00-19.00, ночью.

На графиках №1,№2, 3, 4 представлены средние результаты наблюдений

2.2. Фенологические наблюдения.

Для исследования были выбраны: черемуха, яблоня, клен, липа, тополь, осина, береза, вяз, дуб, лиственница, рябина. В ходе ежедневных наблюдений фиксировались изменения в развитии деревьев: набухание листовых почек, распускание листа на 1/3, на 2/3, полное распускание листьев, набухание цветочных почек, единичное цветение, массовое цветение. Результаты представлены в графиках №3, №4,5,6

График №1

Ход температуры и сроки наступления некоторых фенофаз в развитии деревьев, весной 2010 г.

График №2 (весна, 2011 г.)	Осадки:
График №3 (осень, 2010 г.)
График №4 (осень, 2011 г.)

Из графиков №1-4 видно, что:

1. Весной 2010 г. сначала цветут ветроопыляемые деревья: береза, тополь, осина. В этот период, у одной из первых, с 15 мая, уже начинают распускаться листья черемухи, с 25 мая - у яблони. К моменту единичного цветения черемухи 27-28 мая, начинают распускаться листья лиственницы, рябины, березы, 30 мая начинает цвести яблоня. К моменту полного цветения черемухи, с 1 июня, происходит массовое распускание листьев у осины, тополя, клена, липы, вяза. И только листья дуба распускаются позже. Таким образом, во время полного цветения черемухи у всех исследуемых деревьев, кроме дуба, наблюдается полное облиствение.

Весной 2011 листья черемухи начинают распускаться раньше - с 25 апреля, но аналогично 2010 г., к моменту ее единичного цветения (с 15 мая) начинают распускаться листья лиственницы, рябины, березы. В период полного цветения черемухи (с 20 мая) – наблюдается полное распускание листьев осины, тополя, клена, липы, вяза.

2. «Черемуховые холода» (в этот период цвела черемуха) в 2010 г. наступили в период с 1 по 6 июня, в 2011 г. – с 15 по 21 мая, после установившейся почти летней погоды (в 2011 г. 13 мая столбик термометра поднялся до 25°С), наблюдается заметное снижение средней температуры воздуха на 8-9° С. (ночью 17 мая 2011 г. столбик термометра опустился до 2°С).

3. «Бабье лето» 2010 г. было с 16 по 24 сентября. Днем температура воздуха 22 сентября составила 22°С, при этом началось оно после понижения температуры воздуха ночью до 1°С 12,13 сентября и до 0°С ночью 15 сентября. В целом, в период «бабьего лета», средняя температура воздуха повысилась на 7 °С. В этот период наблюдаем массовое пожелтение листьев деревьев березы, тополя, осины, клена, лиственницы, липы, рябины. У черемухи в этот период закончился листопад. У черемухи, согласно графику №…первой наступает пожелтение листьев, затем у рябины, дуба, дольше всего сохраняются зелеными листья у вяза. Также на графике видно, что липа очень быстро сбрасывает листву, а у дуба желтые листья сохраняются до октября. У осины листопадуют даже зеленые листья.

4. Осенью 2011 г наблюдалось 2 «Бабьих лета»: с 8 по 10 сентября (днем температура воздуха составила 20 °С) и с 17 по 24 сентября (24 °С днем). При этом первое и второе «бабье лето» наступило после непродолжительного ночного похолодания до 1°С 5-7 сентября и 0 °С 13,14 сентября. При этом, в первое «бабье лето» средняя температура воздуха повысилась на 7 °С, а во второе «бабье лето» - на 5 °С. Пожелтение листьев началось после «первых» холодов, а во второе «бабье лето» наблюдается массовое пожелтение листьев деревьев. Дольше всего листья сохраняются на дубе, клене, березе. Первыми сбрасывают листву черемуха, яблоня, лиственница.

2.3. Обзор и анализ информации, необходимой для проведения физико-математических расчетов и подтверждения гипотезы.

2.3.1. Что такое фотосинтез и с чем связана его интенсивность?

Фотосинтез (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. [16]

[4а],

Главными внешними факторами, влияющими на образование и сохранение хлорофилла, а значит и процесс фотосинтеза, являются: свет, температура, минеральное питание, вода. Синтез хлорофилла очень чувствителен почти к любому фактору, нарушающему метаболические процессы. [2а]

Свет. Свет необходим для образования хлорофилла, хотя очень яркий свет вызывает разложение хлорофилла. Следовательно, хлорофилл всегда одновременно синтезируется и разрушается. На ярком свету равновесие устанавливается при более низкой концентрации хлорофилла, чем при свете малой интенсивности. Теневые листья обычно имеют более высокую концентрацию хлорофилла, чем световые.

Температура. Синтез хлорофилла происходит, по-видимому, в широком интервале температур. Вечнозеленые растения умеренной зоны синтезируют хлорофилл от температур близких к температурам замерзания до самых высоких температур в середине лета. Многие хвойные становятся зимой до некоторой степени хлоротичными, вероятно, вследствие того, что распад хлорофилла превышает его синтез при очень низких температурах. [2а] Температуры ниже нуля повреждают фотосинтетический аппарат, однако повреждение обычно бывает обратимым после пребывания растения в течение некоторого времени при температурах выше нуля.

Во второй половине лета, когда в почве есть достаточно большой запас тепла в корнеобитаемом слое, температура почвы на 2 — 3 градуса выше температуры воздуха. Так что весной, если среднесуточная температура воздуха (сложите дневную и ночную температуру и разделите пополам) не превышает 10—11 градусов, корни практически не работают. В конце лета корни перестанут работать, когда среднесуточная температура воздуха понизится до 5—6 градусов тепла. [3]

Понижение температуры влияет на фотосинтез прямо, уменьшая активность ферментов, участвующих в темновых реакциях, и косвенно, благодаря повреждению органелл. Минимальная температура для фотосинтеза растений средней полосы около О °С, для тропических растений 5—10 °С. [18]

Минеральное питание. Одна из наиболее частых причин хлороза — недостаток какого-либо необходимого элемента. Недостаток азота — обычная причина хлороза древесных растений, особенно у старых листьев. Другая распространенная причина хлороза заключается в недостатке железа, преимущественно у молодых листьев. Достаточное снабжение железом необходимо, очевидно, для синтеза хлорофилла. В состав хлорофилла железо не входит, но оно служит кофактором для предшественника хлорофилла. Магний является составной частью хлорофилла, поэтому его недостаток, естественно, вызывает хлороз. Недостаток большинства макроэлементов и некоторых микроэлементов может быть причиной хлороза. Можно предположить, что почти любое нарушение нормального метаболизма препятствует синтезу хлорофилла. [2а]

Вода. Умеренный водный стресс замедляет образование хлорофилла, а сильное обезвоживание растительных тканей не только нарушает синтез хлорофилла, но и вызывает распад уже имеющихся молекул. В результате листья растений, подвергшихся воздействию засухи, имеют тенденцию к пожелтению. Листья деревьев и кустарников могут также пожелтеть при насыщении водой почвы вокруг их корней. Действие засухи и плохой аэрации почвы является до некоторой степени косвенным: синтез хлорофилла задерживается вследствие общего нарушения метаболизма. [2а]

2.3.2. Хлорофилл и другие пигменты растений.

[25]

Хлорофилл – это большая молекула, содержащая в центре порфиринового кольца магний. Он связан с четырьмя атомами азота, образуя комплекс. К кольцу присоединена длинная, нерастворимая углеводородная цепь, которая служит своеобразным якорем для закрепления молекулы во внутренних мембранах хлоропластах. [7]. В листе содержится огромное количество молекул хлорофилла. Эта молекула поглощает фотоны в фиолетовой и синей, а затем в красной части спектра, и не взаимодействует с фотонами в зеленой и желтой части спектра. Поэтому хлорофилл и растения выглядят зелеными – они попросту никак не могут воспользоваться зелеными лучами и оставляют их гулять по белу свету (делая его тем самым зеленее). [7]

У большинства деревьев осенью листья изменяют свою окраску с зеленой на желтую, красную или коричневую и опадают с ветвей. [1]

По поводу пигментной системы растений существует несколько различных мнений:

1) В листьях растений наряду с зеленым хлорофиллом содержатся желтые пигменты — каротиноиды. При наступлении холодов образования новых молекул хлорофилла не происходит, а старые быстро разрушаются. [24]
Каротиноиды же устойчивы к низким температурам, поэтому осенью эти пигменты становятся хорошо заметными. Они и придают листьям многих растений золотисто-желтый и оранжевый оттенок.
Наряду с хлорофиллом и каротиноидами в листьях растений имеются пигменты, которые носят название антоцианов. Они хорошо растворимы в воде и содержатся не в цитоплазме, а в клеточном соке вакуолей. Эти пигменты очень разнообразны по окраске, которая зависит в основном от кислотности клеточного сока.
Антоцианы, как и каротиноиды, более устойчивы к низким температурам, чем хлорофилл. Поэтому они и обнаруживаются в листьях осенью. [24],

Есть классический опыт, подтверждающий одновременное присутствие в листе желтых и зеленых пигментов (хлорофилла и ксантофилла).

Каждый, вероятно, знает, что зеленые части растений, если их бросить в крепкий спирт, начинают бледнеть, тогда как спирт, напротив, быстро зеленеет. Этот процесс обесцвечивания листьев вызван тем, что хлорофилл растворяется в спирту, и особенно быстро при подогревании или даже осторожном кипячении спирта в водяном баке. Крепкая спиртовая вытяжка из зеленых листьев при рассматривании ее в проходящем свете выглядит изумрудно-зеленой, в отраженном же свете флюоресцирует (отсвечивает) вишнево-красным оттенком. Вместе с хлорофиллом в спирт переходят и желтые пигменты. Чтобы отделить их, в вытяжку следует налить немного бензина. Взболтав смесь, через некоторое время можно заметить, что бензин, как более легкий, всплывет наверх, тогда как слой спирта останется внизу. При этом бензин будет иметь изумрудную окраску, спирт же примет золотисто-желтый цвет от оставшихся в нем желтых пигментов листа — ксантофила и каротина. Отделение хлорофилла от желтых пигментов основано на том, что он обладает большей растворимостью в бензине, чем в спирте. [24]

2) . К. б. н., эксперт национально-образовательной программы «Интеллектуально - творческий потенциал России» [11] считает, что осенью цвет листвы обусловлен не только остатками каротиноидов, но и образованием продуктов распада (главным образом) хлорофилла. Багряный пигмент образуется в листьях как промежуточная стадия распада хлорофилла. Он вовсе не является более устойчивы, просто не успевает разложиться, так как ферменты, которые занимаются его деструкцией, гибнут, не успевая довести дело до конца.

Его поддерживает Барнард Кройтлер (Bernhard Kräutler) с коллегами из Университета Инсбрук [25], которые впервые показали, что в основе золотых красок осени лежат продукты разложения хлорофилла.

3) Желтые пигменты всегда есть в зелени растения, но летом они совершенно незаметны, так как замаскированы интенсивно-зеленой окраской хлорофилла; (мнение №1). Но необходимо добавить, что не только ксантофил и каротин обусловливают желтую окраску листьев осенью; в настоящее время найдены еще и другие желтые пигменты, которые отсутствуют в живых тканях листа и появляются лишь при их отмирании в момент листопада. [6]

Хочу заметить, что в основе всех трех мнений имеет место процесс разрушения молекулы хлорофилла. Подробно механизм разрушения хлорофилла пока не изучен. Известно лишь, [7] что на ранних стадиях его распада теряются фитол и атом магния, в результате чего образуется феофорбид (рис.1). Порфириновая система колец затем расщепляется с образованием бесцветных соединений, имеющих сравнительно небольшую молекулярную массу.

рис. 1

2.3.3. Солнечная энергия. Распределение солнечной энергии .

Поступающая на поверхность Земли солнечная радиация является основной энергетической базой формирования климата. Она определяет основной приток тепла к земной поверхности. Чем дальше от экватора, тем меньше угол падения солнечных лучей, тем меньше интенсивность солнечной радиации. Солнечная радиация - основной двигатель всех природных процессов в географической оболочке. Именно благодаря ей текут реки, дуют ветры, зеленеют поля... .[12]

Приблизительно 1/3 (33%) общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем стратосферы, 7% - остальной атмосферой. Следовательно, только половина (47%) солнечной энергии достигает земной поверхности. Но из этой половины 7% отражается обратно в мировое пространство, а еще 15%, поглощаясь земной поверхностью, трансформируется в теплоту, которая излучается в тропосферу и в значительной мере определяет температуру воздуха. [13]

Количество солнечной энергии, достигающей земной поверхности варьирует в широких пределах. Все зависит от высоты стояния Солнца над горизонтом или угла падения солнечных лучей (рис.1), а также географическим местоположением относительно экватора. [14]

Рис. 1 Распределение солнечной радиации в зависимости от

высоты Солнца над горизонтом (А1 — высокое, А2 — низкое)

Усредненные данные поступления солнечной энергии приведены на карте №1[15] , а также в приложении.

Карта №1

Интенсивность поступления солнечной энергии

Анализируя карту видно, что ученые выделяют 4 зоны интенсивности солнечного излучения:

- В зоне максимальной интенсивности солнечного излучения (по южной границе России от Байкала до Владивостока, в районе Якутска, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, как это не странно, за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли) на 1 квадратный метр поступает более 5 кВт. час. солнечной энергии в день.

- Поступление солнечной энергии от 4 до 4,5 кВт. час на 1 кв. метр в день характерно для Краснодарского края, Северного Кавказа, Ростовской области, южной части Поволжья, южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин. Сюда же относится наш Красноярский край, Магадан, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО.

- От 2,5 до 3 кВт. час на кв. метр в день по западной дуге - Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Салехард, восточная часть Чукотки и Камчатка.

- От 3 до 4 кВт. час на 1 кв. метр в день - остальная территория страны.

2.3.4. Солнечная радиация и ФАР

Солнечная радиация (лучистая энергия Солнца) — электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 300 тыс. км/с, доходят до земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. [16]

Прямая – поступает от диска Солнца в виде пучка параллельных лучей. При прохождении через атмосферу, она частично рассеивается газами и аэрозольными примесями в воздухе (пыль водяной пар) и переходит в форму рассеянной радиации, которая составляет примерно 25% энергии общего потока солнечной радиации. Однако рассеянная радиация будет существенно отличаться от прямой, так как она идет не от солнечного диска, а от всего небесного свода. В связи с этим ее приток измеряют на горизонтальную поверхность.

Рассеивание солнечной радиации в атмосфере дает рассеянный дневной свет, то есть вся атмосфера днем служит источником освещения и светло даже там, куда не попадают солнечные лучи или при сплошной облачности, закрывающей Солнце. [4]

Около 48 % солнечной радиации приходится на видимую часть спектра (0,38—0,76 мкм), 45 % — на инфракрасные (тепловые) лучи (более 0,76 мкм) и 7 % — на ультрафиолетовое излучение (менее 0,38 мкм) [16]

ФАР (Фотосинтетически активная радиация) — область спектра солнечных лучей в диапазоне длин волн 0,38—0,71 мкм, оказывающих наибольшее физиологическое воздействие на растения (используемая растениями в процессе фотосинтеза). Количество ФАР зависит от количества прямой и рассеянной радиации, которая, в свою очередь также зависит от высоты светила над горизонтом. [16]

Приход ФАР определяется по поступлению прямой и рассеянной радиации, с помощью приборов и по формуле[4]:

R фар = 0,43 I1 + 0,57 i,

где:I1 - прямая солнечная радиация (на горизонтальную поверхность); i - рассеянная радиация.

2.3.5. Использование ФАР растительностью

Итак, согласно карте №2, листья растений поглощают до 95% фотосинтетически активных лучей. Если энергию, падающую на лист, принять за 100 %, то около 10 % энергии отражается от листа, лист пропускает солнечные лучи (10 %), на испарение воды используется около 43 %, на теплоту расходуется 35 % и только 2 % идет на осуществление процесса фотосинтеза (рис. 2). С химической точки зрения фотосинтез — это ряд химических реакций, в результате которых (при участии видимого излучения) из неорганических веществ образуются органические — сахар (прежде всего глюкоза). С физической точки зрения – это превращение энергии излучения в химическую энергию. [18]

Получается, что поток солнечной радиации огромен и несет большое количество энергии. Если бы она целиком использовалась при фотосинтезе, то на гектаре посевов в течение суток могло бы образовываться около 10 тонн органических веществ. Этого не происходит, так как при фотосинтезе используется только 1,5-2% ФАР, а основная часть лучей идет на процессы образования хлорофилла, формирования хлоропластов, работу устьичного аппарата, регуляцию газообмена, солнечные лучи активизируют ряд ферментов, стимулирующих биосинтез белка и нуклеиновых кислот, свет обеспечивает деление и растяжение клеток (рост). Большая часть ФАР тратится на испарение (транспирацию) и только 20% энергии, поглощенной листом, отражается и проходит через него. [13]

назвал лучи, участвующие в фотосинтезе, "похищенными лучами солнца". [19]

2.4. Проведение физико-математических расчетов.

2.4.1. Черемуховые холода» 2010, 2011 г.

Итак, для того чтобы провести расчеты и узнать «Сколько же энергии забирает фотосинтез в Зеленогорске?», необходимо было рассчитать:

- Какое количество солнечной радиации поступало на Землю до наступления «черемуховых холодов», т. е. 31 мая?

- Количество ФАР, поступающей на нашу территорию? Доля поглощенной ФАР в период наибольшей вегетации в Зеленогорске?

- Доля ФАР, поглощаемая вечнозелеными хвойными до наступления черемуховых холодов и распускания листьев листопадных деревьев.

- Количество энергии необходимой для нагревания воздуха на 1 °С 30-31 мая.

1). Какое количество солнечной радиации поступало на Землю до наступления «черемуховых холодов», т. е. 31 мая?

Мне удалось найти таблицу [22] (приложение 3 стр. 22), в которой видно, что средняя сумма солнечной радиации в декабре по г. Красноярску (минимальное значение) составляет 0,62 кВтч/м. кв., а средняя дневная сумма солнечной радиации в июне – 5,48 кВтч/м. кв. Так как самая длинная ночь 22 декабря, а самый длинный день 22 июня, предположим, что в таблице приведены именно эти даты. Значит, ежемесячно, количество солнечной радиации увеличивается на 0,81 кВтч/м. кв, а за один день на 0,027 кВтч/м. кв. Так как, согласно фенологическим и метеорологическим наблюдениям, «черемуховые холода» наступили с 1 июня, то 31 мая, количество солнечно радиации составляло 4,67 кВтч/м. кв + 9 дн. х 0,027 кВтч/м. кв = 4,9 кВтч/м. кв,

2). Количество ФАР, поступающей на нашу территорию?

в связи с тем, что земной поверхности в виде прямых и рассеянных солнечных лучей, достигает лишь 47% солнечной энергии, значит это 2,303 кВтч/м. кв.

Чтобы высчитать количество ФАР на нашей территории 31 мая, учитываем, что солнечная энергия, достигшая земной поверхности на 25% состоит из рассеянного света (в нашем регионе это 0,57575 кВтч/м. кв), а 75% (1,72725 кВтч/м. кв) - прямые солнечные лучи. Используя формулу, высчитываем ФАР:

R фар = 0,43 I1 + 0,57 i, где:I1 - прямая солнечная радиация; i - рассеянная радиация.

ФАР = 0,43 х 1,72725 + 0,57 х 0,57575; ФАР =1,0708 кВтч/м. кв