И на тепличных грядках своя физика

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 (пленка) 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 заляпаности. Но воздух в теплице стекло не нагреет – оно тут же остывает наружу!

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

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 20 000 раз больше энергии, чем ее расходует человечество со всем его топливом, ГЭС, ТЭЦ, АЭС и прочими ЭС. В среднем, треть солнечного излучения отражается от планеты, еще четверть идет 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 квадратным 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.

И на тепличных грядках своя физика

 

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 все излучение превращается в тепло.
Вот лучистая энергия достигла поверхности. Если поверхность абсолютно черновая, 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.
Мы не можем влиять на продолжительность светового дня, угол солнца над горизонтом и облачность. Но прозрачность покрытия и степень черноты поверхностей в нашей власти. А эти два фактора могут изменять эффективность использования солнечного тепла в два-три раза! Например, через чистое стекло или пленку проникает около 90% света и тепла, а пыль и грязь на поверхности могут поглощать до 50%. А светлая мульча может еще и отражать до 30% этой проникшей через грязь половины энергии обратно в космос.
То есть в лучшем случае мы можем уловить около 70% энергии, а в худшем – около 30%!

 

Вывод: чтобы уловить максимальное количество тепла весной, нужно максимально увеличить пропускание света и свести к минимуму его отражение поверхностью почвы и предметами. То есть все поверхности должны быть максимально черными, а покрытие максимально прозрачным. Летом, особенно на юге, наоборот : приходится белить, притенять покрытия и класть светлую мульчу на почву.
Нагретые солнцем предметы, в свою очередь, тоже излучают тепло, но интенсивность этого излучения существенно ниже солнечной радиации. Теоретический расчет показывает: при температуре поверхности +30 С и температуре воздуха 0 С потери тепла, излученного с квадратного метра, будут составлять лишь около 100 Ватт в час.
Однако воздух в теплице греется не от излучения – для лучей воздух совершенно прозрачен. Если подвесить совершенно прозрачный кубик из пленки, воздух в нем почти не нагреется. И слава Богу! Если бы воздух мог нагреваться лучами, верхние слои атмосферы пылали бы жаром, а мы внизу мерзли бы как на морском дне!

Воздух получает тепло непосредственно от предметов, контактно, через передачу движения молекул – как чайник от плиты. Горячий предмет нагревает воздух, и теплый воздух поднимается вверх, перенося тепло нагретой поверхности. Так возникает конвективный перенос тепла. Горячая поверхность планеты нагревает атмосферный воздух в основном благодаря конвекции.
В теплице воздух так быстро нагревается именно потому, что мы не позволяем ему улететь – ограничиваем конвективный перенос тепла в очень небольшом объеме. И кардинально удалить лишнее тепло из теплицы мы можем только вместе с воздухом — путем проветривания или охлаждения воздуха. Это еще раз подтверждает, что тепло намного больше переносится нагретым воздухом, чем излучением. Намного – это примерно раз в 5-6. Почва или любой камень в теплице, получая от солнца примерно 600 Вт энергии на каждый квадратный метр, отдает, в грубом приближении, около 100 Вт в виде излучения в около 500 Вт через конвекцию.
Для ясности: Ватт – это Джоуль энергии в секунду.

 

Чем горячее предмет, тем быстрее он и отдает тепло! Когда почва нагрелась до максимума, потоки энергии уравновешиваются: сколько пришло, столько и ушло. Солнце продолжает греть, но температура почвы уже не растет. Некоторое время растет температура воздуха – почва отдает ему свое тепло. Но и воздух отдает свое тепло через покрытие теплицы. Вскоре и тут все уравновешивается: нагрев и остывание воздуха сравниваются. Воздух нагрелся до максимума и больше не греется. В конце концов, потоки энергии вовнутрь теплицы и наружу приходят в равновесие: температуры больше не меняются. Но остается разница: внутри намного теплее. Эта разница и поддерживается притоком энергии солнца.
Но Солнце не висит в небе сутки напролет!