Что происходит в зимнем клубе? Опции

[Игорь Викторович]

Как понять, что происходит в зимнем клубе, какие звенья нужно для этого рассмотреть, чтобы разговор был предметный, а не эмоционально-бытовой?
Просто объяснить куда идут воздушные потоки, вверх или вниз или и вверх и вниз одновременно - практически ничего не дает для понимания этого сложнейшего многокомпонентного процесса!
КОПЬЯ МОЖНО ЛОМАТЬ БЕСКОНЕЧНО!
На основе того, что предложил В.Г. Маршаков, хочу наметить путь для решения этой сложнейшей задачи!
Цель этой работы выявить (а в идеале уметь рассчитывать) оптимальные для пчел условия зимовки!

Для простоты понимания разобьем задачу на этапы, из решения которых она состоит:

1. Вычислить мощность термогенеза (ВГ дал понимание, но не сделал вычисление)
В клубе пчел нет теплового ядра как некоего центра терморегуляции. Процесс термогенеза осуществляется в объеме клуба из многих точек через теплопроводность сот. Пчелы не греют воздух, пчелы греют дифференцированно соты. Крайние рамки клуб в норме не занимает, крайние соты - это тепловой щиток.
Для чего нам нужно знать мощность термогенеза? Для расчета пространственного положения точки росы (при определенном материале стенок улья) и для расчета достаточной массы пчел в данном сечении улья, ибо при достижении самой низкой критической температуры для нашего региона нижние пчелы в клубе достигнут температуры холодовой комы). Этим положением он кстати опровергает так называемую «теорию дутья»! Иначе, если бы пчелы могли направленно дуть теплом вниз, то для нижних пчел клуба не было бы критично охлаждение! Смотри замеры температуры отделов тела зимующих пчел в клубе Stabentheiner (1987, 2003, 2005).

2. Расписать процессы газодинамики (полностью расписал ВГ)
Углекислый газ в смеси газов с реальным парциальным давлением обладает:
1. максимальной молекулярной массой;
2. значительным потоком излучения в красном диапазоне;
3. способностью образовывать нестойкие водородные связи с молекулами воды и тем больше и прочнее, чем ниже его температура.
Вследствие перечисленного, углекислый газ в поле сил тяжести опускается вниз, излучая энергию теряет температуру и образует с водой смесь быстро оседающую вниз. Именно такая вода и вытекает в сильные морозы из летка. Сколько воды может быть выведено таким образом? Расчет и модельные опыты подтвердили результат - 1:1. Но это требует особой конструкции улья.
Многие понимают вентиляцию как нечто принудительное. Понимая, что теплый воздух, даже насыщенный парами воды до абсолюта легче холодного (холодный всегда меньше содержит влаги, а следовательно более тяжелый - пары воды самая легкая фракция газовой смеси под названием воздух), ), начинают задирать голову вверх - а где тут вентиляция. Не замечая, что рассуждают о УВЕЛИЧЕНИИ энергозатрат клуба. Компоненты газовой смеси ведут себя по разному в поле сил тяжести (опыты Лошмидта 1865 года). Диоксид углерода уходит вниз таща за собой пары воды, разделяясь под клубом в буфере. Вверху локально возникает понижение парциального давления, которое компенсируется подводом кислорода снизу (еще один компонент газовой смеси). Азот и прочие не изменяются. Но для такого процесса необходим герметичный купол и пространство ниже клуба для газообменных процессов у летка.
Наружный и внутриульевой воздух под клубом КАЧЕСТВЕННО отличаются по физико-химическим характеристикам из за разного, в десятки раз, содержания углекислого газа. Последний опускаясь тащит за собой пары воды за счет гидратации. Если под клубом есть свободная зона, происходит разделение. Пары воды вымораживаются, а угл. газ стекает дальше. Если такой зоны нет, как в даданах, можно довольно часто наблюдать любопытную картину - вытекание воды из летка при определенных температурно-влажностных условиях. Это происходит в силу того, что жидкость насыщена гидрокарбонатом полученным при диссоциации угольной кислоты в момент конденсации паров воды. Эта жидкость имеет более низкую точку замерзания нежели обычная атмосферная влага.
Пчелы дышат (респирируют) циклически. Нет у них особой природы дыхания.
Во-первых, парциальное давление углекислого газа в области термогенерирующих пчел возрастает в среднем в 130 раз, в то время как кислорода уменьшается лишь в 1,4 раза. Это "выдох" термогенерирующего клуба.
Во-вторых, "вдох" происходит при падении температуры клуба на его нижней границе, что приводит к ускоренному выводу углекислого газа и СВЯЗАННЫХ с ним паров воды вниз в поле сил тяжести с отдачей энергии излучением.
В-третьих, пары воды(не связанные с СО2) прорвавшиеся вверх с нагретыми потоками воздуха с низким содержанием углекислого газа стекают по бокам. Клуб именно дышит: вдох и выдох формирует РАЗНЫЕ потоки составляющих смесь газов. Клуб действительно "дышит", это видно даже на движении изотерм. Дышит – но не дует!
Количество выделяемых паров зависит от уровня термогенеза и от скорости выделения СО2, при пульсации целопульса - поскольку в трахеолах ВСЕГДА 100% влагосодержание. Результаты, полученные в процессе мониторинга пульсации гемоцеля (первичная полость тела, заполненная гемолимфой) (Sláma, 2008).У насекомых и особенно пчел зимой терморегуляция полностью блокирована термогенезом (проще говоря пчелы при этом не потеют) и результат термогенеза влияет на: температуру термогенерирующих пчел, энергию респирации, соответственно, газодинамику(по массе выделенных газов, их энергии и месту).

3) Понятие о холодовой коме (сделал ВГ)
Холодовая кома по определению Голлера-Эша (Goller, Esch, 1990) – это температура грудного отдела, при которой потенциал возбуждения грудных мышц практически равен нулю. Для медоносной пчелы Apis mellifera L. она составляет у рабочих особей 10.5-11.9 . Другим важным признаком перехода к холодовому оцепенению является температура грудного отдела, при которой амплитуда потенциала возбуждения составляет 50% от такового значения при 25 (соответствует пороговой температуре, при которой мышцы могут практически мгновенно перейти в режим термогенерации), а продолжительность – в 2 раза больше. Нахождение пчел с температурой грудного отдела 7-12 более 10-12 часов приводит к необратимым последствиям. Без ВНЕШНЕГО фактора возврат невозможен. У пчел это граница на уровне 10-12 градусов темп. тела. Пчелы нижней части корки находятся на границе холодового шока, с уровнем метаболизма поддерживающим температуру грудного отдела около 15 градусов. При приближении к 12-13 градусам подают сигналы терморегулирующим пчелам, находящимся при температуре грудного отдела 20-25 градусов. Если отклика нет впадают в состояние холодового оцепенения, нижняя граница которого на уровне 4-5 градусов. Но длительно находиться в таком состоянии не могут - тип метаболизма меняется кардинально. Так что пчелы находятся между двумя состояниями холодового шока и термоактивного. Анабиоза нет.
Холодовая кома влияет на способ, которым осуществляется газообмен. У пчел при температуре тела ниже газообмен протекает непрерывно, за счет общей диффузии, при и выше газообмен переходит к прерывистому дыхательному циклу, но лишь по достижении температуры более процесс дыхания сопряжен с активным сокращением брюшка и возможностью минимального термогенеза (Lighton, Lovegrove, 1990). Это является причиной стабильного и низкого уровня метаболизма у пчел в интервале температур . Дыхательный коэффициент в указанном интервале температур RQ=0.864, что указывает на метаболизм смешанного типа, основанный не исключительно на углеводах, как это происходит в период активного термогенеза (Rothe, Nachtigall, 1989), но с использованием в окислительных процессах до 45% жирных кислот.

4) Вывод точки росы за пределы клуба (ВГ дал понимание, но не дал формул и не сделал расчет)
Точку росы за пределы клуба в условиях "пыжа" вывести невозможно ни при каких температурно-влажностных режимах; а при сильных морозах "лед будет давить пчел".
Вывод точки росы за пределы клуба имеет смысл лишь при наличии зоны раздела двух сред (воздушных), где и просчитывается точка росы. Гениальная подсказка к этому дана в конструкции улья Кована, получившего в 1888 году золотую медаль на выставке Британского общества пчеловодов, и не осознанная до сих пор.
В улье должно быть несколько зон раздела воздушных сред, иначе точка росы будет на контактирующей поверхности. Для клуба важны , критичны условия фазового перехода в интервале температур 10-30 градусов. В состоянии покоя 8-10 градусов. Именно здесь проходит грань возникновения сырости при данном термогенезе клуба и температурой и влажностью наружного воздуха.
Нет, никакой особой температуры начала конденсации пара, т.е. фазового перехода. Есть условия фазового перехода при любой температуре, а именно содержание (количество) паров в воздухе. И то, что при конденсации происходит небольшой скачок температуры не дает основания говорит о температуре точки росы.
Нет никакой особой температуры для точки росы. Есть температура при которой БУДЕТ достигнута точка росы при данной относительно влажности при изменении данной температуры. Каждое значение влагосодержания имеет свою точку росы. И все.
Утеплив стенки улья пенополистиролом мы не провели утепление улья в смысле его нагретости, но изменили теплофизические характеристики оболочки. То есть увеличили скалярное значение вектора и уменьшили градиент.
Эта задача в расчетном плане решается в три этапа:
1. характеристика мощности термогенеза пчел;
2. величина и скорость изменения наружная температура воздуха;
3. теплофизические характеристики оболочки (улья).
Поскольку каждый из этих параметров может иметь десятки значений, то методом перебора нам придется исследовать несколько миллионов вариантов, что практически невозможно.

5) Размеры летка (ВГ обосновал для своих размеров улья, равен 300х10мм)
Размеры летка не критичны в случае:
1. глухой потолок,
2. объем позволяет иметь большое, не менее четверти улья, подклубное пространство,
3. масса пчел достаточна для улья данного сечения и высоты для удержания температуры в нижней зоне клуба выше температуры холодового шока.
ВГ обосновал массу пчел необходимую для его размеров улья! Нормально биологически развитая семья отпускает в зиму 30-35 тысяч пчел или 3,5-4,0 кг пчел. Если их менее 2,5 кг - это слабая семья. Если в зиму ушло 3,5 кг пчел, сформировав клуб в сечении на 8 рамках (9 улочек), то он будет занимать 2,5 корпуса на 150 мм. Крайние улочки не занимает. Весной такой клуб имеет по бокам прогретые медовые и белковые запасы, что не требует прогрева дополнительного объема.
Энергозатраты и расход корма резко, почти скачкообразно повышается с появлением расплода, но к этому моменту клуб в норме окружен (по крайней мере его верхняя часть) медоперговыми сотами, а пчелы не участвовавшие в терморегуляции готовы к выкармливанию расплода по нарастающей. В таких семьях к 20 апреля у меня до 35-40 тыс. печатного расплода.



Этих положений достаточно, чтобы прогнозировать состояние зимующей семьи в конкретном улье и позволяют оптимизировать как конструкцию улья, так и технологию.

Из всего этого видно, что нужен только предметный разговор, то есть расчет с конкретными цифрами и с учетом всех перечисленных компонентов (возможно еще каких-то!
А простой спор: кто прав, а кто не прав, ничего кроме разочарования не принесет!
Нужен Специалист с соответствующей междисциплинарной подготовкой.... ау

Сообщение отредактировал Игорь Викторович - 4.3.2015, 23:58

[Игорь Викторович]

КОММЕНТАРИЙ на статью А.И.Касьянова

В.Г.Жаров Пчеловодство №4 2004г
С некоторыми положениями и выводами статьи А.И.Касьянова «Биология обогрева пчелиного гнезда» ("Пчеловодство" №2 2003) трудно согласиться.
Обогрев чего-либо предполагает наличие постороннего источника тепла. Биология в сочетании с обогревом воспринимается как дополнительный нагреватель животного происхождения. Но есть замечания и более существенные, чем неудачность заголовка.
1. "Если бы корка клуба действительно выполняла роль теплоизоляционной оболочки, то … на границе между нагретой зоной и оболочкой наблюдался бы резкий скачек температуры. Однако такого скачка никто из исследователей не обнаружил" И далее : "…теплопроводность слоя с его уплотнением возрастает. Поэтому рассматривать корку как инструмент регулирования теплоотдачи пчелиного клуба нет оснований".
Во-первых, в измерениях Т.Г.Харченко ("Пчеловодство" №3, 1980) резкий скачёк температуры на границе между коркой и ядром клуба присутствует, что, кстати, и позволяет определить эту границу.
Во-вторых, увеличение теплопроводности вследствие уплотнения корки вовсе не аргумент против её роли как теплоизолятора. В старой телогрейке со свалявшейся ватой не так тепло, как в новой, но всё-таки теплее, чем совсем без неё. При уплотнении корка теряет в качестве, но не перестаёт быть теплозащитной оболочкой. К тому же, при уплотнении корки уменьшается радиус клуба, т.е. сокращается поверхность теплоотдачи. Те же измерения Т.Г.Харченко обнаруживают и разрыхление корки при существенном понижении наружной температуры, что означает уменьшение её теплопроводности. Т.е. клуб целенаправленно изменяет свою структуру для снижения потерь тепла.
2. "Как только пчёлы собрались в кучу, без каких либо ухищрений с их стороны начинает действовать механизм самообогрева…"
Если бы не было "ухищрений", то свалочные и искусственные рои массой 6-8 кг погибали бы от перегрева, чего не происходит из-за наличия терморегуляции. Иными словами, как только пчёлы собираются в кучу, тут же начинает действовать механизм терморегулирования. Уже поэтому проводить аналогию между гроздью пчёл и копной сена нельзя.
3. "… в любом месте клуба тело пчелы отдаёт тепло".
Перемещаясь с поверхности клуба в тепловой центр, пчела согревается, т.е. потребляет энергию, а не отдаёт её. В какой-то промежуток времени температура этой пчелы сравнивается с температурой окружающего её воздуха и теплообмен вообще отсутствует. Таким образом, не каждая пчела и не в любом месте клуба отдаёт тепло.
4. "При понижении наружной температуры … клуб сокращается/ …температура на поверхности растёт."
Если уплотнить ворох влажного "загоревшегося" зерна, то температура его поверхности, действительно, возрастёт. Клуб же, сжимаясь, температуру поверхности не меняет. (см. рис. к статье Т.Г. Харченко)
5. Для определения доли в тепловыделении пчёл корки и пчёл ядра в статье использована формула:

Qпч=λF (tпч – tвозд), где:
Qпч – количество тепла, выделяемого пчелой,
λ - коэффициент теплоотдачи,
F – площадь тела пчелы,
tпч и tвозд температура тела пчелы и окружающего её воздуха.

В приложении к пчёлам клуба это выражение даёт любопытные результаты. Например. Плотность корки такова, что внутри неё tвозд можно принять равной tпч, и тогда теплоотдача основной массы пчёл корки равна нулю. Пчёлы наружного слоя корки при tвозд = tпч также не выделяют тепло. Но в морозы величина tпч-tвозд может стать больше, чем эта же разность для пчёл теплового центра. Получается, что основные производители тепла - пчёлы наружного слоя корки, чего нет на самом деле. Так что же, формула неверна? Формула верна, но справедлива она только для отдельной пчелы, изъятой из гнезда, а не для клуба в целом.
6. "Пчёлы в клубе ведут себя как типичные пойкилотермы".
Однако клуб в целом ведёт себя как гомойтермный организм, обладающий относительно постоянной температурой вследствие терморегуляции химической (изменение потребления корма) и терморегуляции физической (изменение размеров и структуры). То же наблюдается и летом: защищаясь от перегрева, семья вентилирует гнездо, приносит воду, уменьшает населённость гнезда выкучиванием части пчёл и т.д. В этом смысле реакции пчелиной семьи как единого организма, а не простого скопления отдельных особей, целенаправленны и обеспечивают тепловой баланс с внешней средой. Итак, пчелиная семья и зимой, и летом проявляет себя как гомойтермный организм. Клуб пчелиной семьи имеет слоистую структуру, состоящую из уплотнённой корки и рыхлого ядра. Подмена этой структуры шаром с равномерным заполнением и одинаковой интенсивностью тепловыделения каждой пчелой означает получение искаженных результатов в расчётах (около 20% в данном случае). Основными производителями тепла в клубе являются активные пчёлы, находящиеся в благоприятных условиях, т.е. пчёлы теплового центра. Пчёлы корки выступают в роли тепловой защиты клуба. На колебания наружной температуры клуб отвечает изменениями своих параметров с целью сведения тепловых потерь к минимуму. Соотношение тепла, производимого пчёлами корки и пчёлами ядра, является задачей дальнейших исследований.

P.S. В «Пчеловодстве» № 10 за 2006 год помещена примечательная статья В.А.Тобоева «Современные методы изучения теплового гомеостаза». На термограмме 2, иллюстрирующей статью, чётко просматривается тепловой центр и корка и граница между ними.