Умная теплица

Незнание законов физики не освобождает от ответственности!

Начав писать предыдущую главу, я вдруг вспомнил, как на институтских научных семинарах академик–физик Лаврентьев ехидно спрашивал зарвавшихся докладчиков: «Господа биологи, а «гораздо» — это сколько!?»

Вообще–то, я люблю всё измерять сам. Пользуюсь и термометрами, и люксметром. Точно знаю и температуру, и освещённость в своих теплицах. Но, говоря об энергиях, почему–то слишком легко оперирую понятиями «больше», «значительно», «существенно»… Так не пойдёт! Давайте–ка попробуем количественно оценить те потоки энергии, которые проходят через нашу теплицу, чтобы понять, как можно их направлять. Школьного курса физики для этого вполне достаточно.

Сначала — парниковый эффект.

Существует распространенное мнение, что парниковый эффект возникает из–за того, что тепловое излучение (ИК — инфракрасное), проникшее внутрь теплицы, отражается от внутренней поверхности покрытия обратно внутрь, и поэтому теплица нагревается. На деле это не так.

Чистое стекло (плёнка) пропускает около 90% солнечного света и ИК-излучения, причем в обоих направлениях. Какая–то часть, конечно, отражается (около 5%), но это — крохи. От почвы отражается около 15% входящего потока излучения, от покрытия — 5% от этих 15. Понятно, что эта мизерная величина (меньше процента) не может оказать существенного влияния на тепловой баланс. Тепло, поглощенное самим стеклом, тоже не влияет на тепловой режим внутри. Очень грязное стекло может отражать до 30% лучей и поглощать фактически до 100% излучения — в зависимости от густоты заляпанности. Но воздух в теплице стекло не нагреет — оно тут же остывает наружу!

Чтобы хоть примерно понять всю эту физику, нужно разобраться, откуда тепло берётся и куда оно девается.

Откуда берется тепло?

Все мы понимаем, что нашу теплицу греет солнце: днем в ней становится тепло, а ночью холодно. И чтобы научиться максимально использовать это тепло, надо разобраться, как попадает туда это тепло и что же происходит с ним дальше.

Для справки: Солнце посылает на Землю в 20000 раз больше энергии, чем её расходует человечество со всем его топливом, ГЭС, ТЭЦ, АЭС и прочими ЭС. В среднем, треть солнечного излучения отражается от планеты, ещё четверть идёт на испарение земных вод, около половины — на согревание земной «кожуры», и лишь 0,2% — на фотосинтез. Примерно половина солнечного излучения — тепловые (инфракрасные) лучи, что и делает солнышко таким ласковым. Всего 5% — ультрафиолет, остальное — видимый свет.

Солнце посылает нам мощнейший поток энергии: на каждый квадратный метр нашей планеты приходится по 1,373 киловатта. Это — по обогревателю в 1,4 КВт на каждом квадратном метре теплицы! К сожалению, (а вернее всего — к счастью!) не вся эта энергия до нас доходит.

Солнечный спектр можно условно разделить на три примерно равные по энергии части:

   1. Коротковолновое излучение — рентгеновские лучи и жесткий ультрафиолет;

   2. Мягкий ультрафиолет и видимая часть спектра;

   3. Инфракрасное излучение (тепловые лучи).

Первая часть полностью поглощается атмосферой, а вторая и третья почти целиком доходят до земной поверхности, лишь немного поглощаясь и рассеиваясь частицами пыли и атмосферной влаги.

Плотность потока солнечного излучения, прошедшего все слои атмосферы, составляет примерно 1 КВт на 1 квадратный метр, что, согласитесь, тоже немало. Понятно, что эта величина сильно зависит от облачности — облака могут отражать от 60% до 90% излучения, а густые тучи пропускают лишь 5-7% лучей — одну двадцатую часть. Однако в хорошую погоду этой энергии хватило бы, чтобы за одну минуту нагреть кубометр воздуха на 46 градусов — то есть за пару минут все живое сварилось бы! Но этого не происходит: далеко не всё излучение превращается в тепло.

Вот лучистая энергия достигла поверхности. Если поверхность абсолютно черная, то вся энергия превращается в тепло и нагревает ее. Если белая или зеркальная — отражается и улетает обратно в Космос.

В реальности обычные предметы могут отражать от 2% до 95% падающего излучения. Например, чистый сухой снег отражает до 95%, грязный снег — 50%, песок — 30%, зеленая трава — 26%, сухая трава — 19%, чернозем — 14%, гумус — 26%, хвойный лес — 10-12%. Черные предметы могут поглощать около 80-90%, превращая эту энергию в тепло. В целом наша планета отражает около 30% падающей на нее энергии, в основном за счет облаков и снежных покровов на полюсах.

Сколько энергии дойдет до поверхности земли в теплице и превратится в тепло, определяют пять факторов:

   • Продолжительность светового дня;

   • Угол падения солнечных лучей (минимальный — в декабре, максимальный — в июне);

   • Прозрачность атмосферы.

   • Прозрачность покрытия теплицы;

   • Отражающая способность (альбедо) поверхности почвы в теплице.