CC BY
29
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2013, № 2 (5) УДК 631.371:621.311
МЕТОД АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРНО-РАДИАЦИОННОГО РЕЖИМА РОСТА РАСТЕНИЙ
л л о
А.Г. Мамедбейли1, Н.М. Пашаев1, Н.Г. Джавадов2
НИИ Аэрокосмической Информатики, Баку, Азербайджан, AZ1106, ул. С.С. Ахундова, стр. 1, asadzade.rambler.ru 2 ПО «Промавтоматика», javadovng@rambler.ru
Процесс фотосинтеза является основным фактором, определяющим жизнедеятельность растения. В результате фотосинтеза солнечная энергия связывается в сухом веществе растений. Достаточное количество света при высокой температуре ускоряет процесс фотосинтеза, а низкая освещенность приводит к истощению растения. Все это диктует необходимость осуществления активного контроля над температурно-радиационным режимом растений. В результате проведенных исследований предложен метод и алгоритм реализации активного контроля темпе-ратурно-радиационного режима роста растений. Предлагаемый метод базируется на инверсной взаимосвязи температуры и относительной влажности воздуха. Показана целесообразность контроля оптической толщины генерируемого аэрозольного облака путем измерения видимости на поверхности Земли. Получены рабочие формулы, позволяющие дать оценку температурно -радиационного режима в приземном слое воздуха при использовании предлагаемого метода. Ил. 5. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: температурно-радиационный режим; аэрозоль; фотосинтез; фотометр; оптическая толщина; видимость.
THE METHOD FOR ACTIVE CONTROL OF TEMPERATURE - RADIATION REGIME OF VEGETATION GROWTH
A.H. Mammadbeyli1, N.M. Pashayev1, N.H. Javadov2
1
Research Institute of Aerospace Informatics, Baku, Azerbaijan, AZ1106, S.S. Akhundov str.1, asadzade.rambler.ru Industrial Association "Promavtomatica", Baku, Azerbaijan, javadovng@rambler.ru
The process of photosynthesis is a major factor, determining the life and activity of vegetation. As a result of photosynthesis, the solar energy is linked with a dry matter of plant. The sufficient amount of light with upon high temperature speeds up the photosynthesis process, while the low illumination deteriorates the vegetation. All that necessitate realization regime of vegetation. As a result of held researches the method and algorithm of active control of vegetation growth's temperature-radiation regime are suggested. The suggested method is based on inverse interrelation of temperature and relative air humidity. The reasonability of the control of generated aerosol cloud's optical depth by measuring of visibility at the Earth surface is shown. The formulas making it possible to estimate the temperature - radiation regime in on-earth layer of air upon utilization of suggested method are given. 5 figures. 7 sources.
Key words: temperature-radiation regime; aerosol; photosynthesis; photometer; optical depth; visibility.
ВВЕДЕНИЕ
Роль растений в экологическом состоянии приземной атмосферы хорошо известна. При этом процесс фотосинтеза является основным фактором, определяющим жизнедеятельность растения. Фотосинтез является (как указано в [1]) процессом связывания солнечной энергии в сухом веществе растения. Интенсивность этого
процесса зависит от уровня освещенности, температуры и влажности воздуха. При этом достаточное количество света при высокой температуре ускоряет процесс фотосинтеза и роста растений. Низкая освещенность и высокая температура приводят к дефициту углеводов и истощению растения [1].
Повышенная температура также вызывает чрезмерное увеличение корневой системы растений, а чрезмерное освещение приводит к понижению уровня хлорофилла и появлению желтовато-зеленого оттенка цвета листвы растений. При этом рост растений замедляется, листья становятся широкими и короткими [2]. Вследствие такого воздействия возможно появление ожогов в растении.
Все вышеуказанное диктует необходимость осуществления активного контроля над температурно-радиационным режимом растений.
В настоящей статье предлагается новый метод осуществления активного контроля с использованием специфики взаимосвязи таких параметров как температура и относительная влажность, а также эффекта увлажнения искусственно сгенерированного аэрозольного облака.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ПРЕДЛАГАЕМОГО МЕТОДА
Предлагаемый метод схематически представлен на рис. 1.
Реализация предлагаемого метода предусматривает выполнение следующих шагов:
1. Организация технических мер по генерации искусственного аэрозольного облака. При этом предварительно проводятся работы по технико-экономическому обоснованию и экологическому анализу генерации искусственного аэрозоля.
2. Определение взаимосвязи оптической толщины аэрозольного облака с мощностью аэрозольного генератора.
3. Построение режимных кривых
I = Г (Г Т ) ,
где I - интенсивность освещения;
Т - температура;
та - оптическая толщина.
4. Выбор наиболее пригодного подрежима, характеризуемого кривой I = ^Т0) при заданном
Те ■
5 . Организация контроля над величиной та
путем измерения видимости на поверхности Земли.
Дадим необходимые пояснения по вышеуказанным пунктам реализации предлагаемого метода. Генерация искусственного аэрозольного облака может быть осуществлена путем сжигания в камере специального топлива. Должна быть определена зависимость оптической толщины генерируемого аэрозольного облака от длительности сжигания определенного количества топлива.
Для построения кривых I = ЦТ°, та) должна быть принята во внимание инверсная взаимосвязь между температурой среды и относительной влажностью воздуха (рис.2) [3]. Выбор наиболее пригодного режима осуществляется следующим образом. Допустим, что мощность
Солнце
КИ
Искусственное аэрозольное облако
Вегетационное поле
Рис. 1. Схематическое представление метода активного контроля температурно-радиационного режима роста растений
Температура" С
Рис. 2. Графики, показывающие инверсную временную взаимосвязь температуры и относительной влажности
аэрозольного генератора такова, что используется кривая, обозначенная как 2 на рис. 3. Увеличение температуры от значения Т)1 до величины То11 приводит к увеличению солнечной радиации, достигающей земной поверхности, от значения 11 (рис. 3) до величины 111.
Как только система контроля получает соответствующий сигнал об увеличении радиации, вырабатывается команда увеличения мощности режима аэрозольного генератора. Допустим, что в результате увеличения мощности аэрозольного генератора устанавливается температурно-радиационный режим, характеризуемый кривой 2. Это приводит к тому, что интенсивность солнечной радиации снижается с уровня 111 до значения 1111 Таким образом, осуществляется активный контроль темпера-турно-радиационного режима роста растений. Алгоритм предложенного метода активного контроля к стабилизации температурно-радиационного режима показан на рис. 4.
Как видно из алгоритма предлагаемого активного контроля температурно-радиационного режима, одной из основных операций, используемых при контроле, является измерение оптической толщины аэрозольного облака. Что касается технической реализации процесса измерения оптической толщины аэрозоля, то здесь при отсутствии специализированной фотометрической измерительной аппаратуры можно воспользоваться наличием функциональной связи между видимостью на уровне земли и оптической толщиной аэрозоля. На наличие такой функциональной взаимосвязи указано в работе [4].
Как указывается в работе [5], способность определить, смоделировать и проконтролировать уменьшение видимости из-за влияния аэрозоля и других антропогенных факторов зависит от нашего понимания тех научных и технических факторов, которые влияют на атмосферную видимость. Видимость - способность
Рис. 3. Графическое отображение режимных характеристик активного контроля
Рис. 4. Алгоритм активного контроля и стабилизации температурно-радиационного
режима роста растений
наблюдателя осуществить восприятие физической окружающей среды.
Основными факторами, определяющими видимость, являются [6]:
1. Освещение сцены Солнцем, возможно посредством облаков, отражения от земли и атмосферы.
2. Отражение, поглощение и рассеяние приходящего света различными объектами сцены и небом, что приводит к установлению специфического для сцены контраста и цветовой окраски.
3. Рассеяние и поглощения атмосферой и загрязнителем атмосферы света, поступающего от наблюдаемой цели и от освещающего источника.
4. Спектральные характеристики атмосферы (пропускание и оптическая толщина).
5. Психофизическая реакция зрительной системы человека и субъективное суждение наб-людателя по воспринятому изображению.
Как указывается в работе [5], степень изменения восприятия удаленных объектов из-за загрязненности воздуха может быть оценена с помощью коэффициента ослабления Ьех? солнечной радиации этим загрязнителем. При этом общий коэффициент ослабления реального воздуха определяется по следующей формуле:
bext - bRg + bag + bscat + bap . (1)
где bRg- релеевское рассеяние;
bag - поглощение со стороны NO2; bscat - рассеяние со стороны аэрозоля; bap - поглощение аэрозоля. Схематическое представление дневной видимости показано на рис. 5 [5], где использованы следующие обозначения:
(i) - остаточный свет от объекта, достигающий наблюдателя;
(ii) - рассеянный свет от объекта не достигающий наблюдателя;
(iii) - свет, поступающий из атмосферы;
(iv) - свет от небесного горизонта. Согласно работе [7], деградация видимости измеряется с помощью индекса дымки (HI), определяемого по формуле
HI - 10l n ^-Ьуj , (2)
где bext - коэффициент ослабления света атмосферой, измеряемый в инверсных мегаметрах (Мт-1).
Для оценки параметра bext ЕРА рекомендует использовать следующую формулу [6]:
Рис. 5. Схематическое представление дневной видимости [5]
bext = 3f(RH)[(NH4)2SC>4] + 4[OMC] + 10[EC] + + [Soil]+0.6[CM]+10, (3)
где [(NH4)2SO4] - концентрация сухой массы
аэрозоля аммониум-сульфата;
[NH4NO3] - то же аммониум-нитрата;
[OMC] - масса органического углерода;
[EC] - элементный углерод;
[Soil] - почвенная пыль;
[CM] - масса крупнодисперсных частиц пыли.
В формуле (2) концентрация аэрозоля измеряется в мкг/м . Концентрация OMC включает в себя наноуглеродную массу, присоединенную к аэрозоли типа органического углерода (OC) и определяется путем умножения измеренной концентрации OC на коэффициент равный 1,4. Коэффициенты, имеющиеся перед концентрациями аэрозоля обозначают типичную эффективность ослабления. f(RH) - коэффициент гигроскопического роста, зависящий от относительной влажности, приложенной к сульфатному и нитратному аэрозолю. Постоянная 10 Мт-1 в уравнении (2) обозначает рассеяние молекул воздуха. Очевидно, что при отсутствии всякого аэрозольного загрязнения получим HI = 0 . Термин «soil» в уравнении (2) обозначает мелкодисперсную компоненту почвенной пыли диаметром < 2,5 мкм, а «CM» обозначает общую массу частиц диаметром больше 2,5 мкм, основным источником которого являются пыль и морская соль.
Как сообщается в работе [4], была обнаружена наличие достаточно сильной корреляции между значениями оптической толщины аэрозоля, измеренными ручным солнечным фотометром и спектрорадиометром MODIS (r =
= 0,83). Также была обнаружена сильная корреляция между значениями оптической толщины аэрозоля, измеренными ручным солнечным фотометром и значениями видимости. Сильная корреляция также имелась между результатам, полученными MODIS и значениями АОТ, определенными на основе измерения видимости (г = 0,8). На основе указанных результатов был сделан вывод о том, что измерение видимости позволяет получить достаточно достоверные данные об оптической толщине аэрозоля.
Согласно работе [4] имеет место следующая зависимость между видимостью и оптической толщиной аэрозоля:
V =
3,9449
(AOT550 - 0,08498)'
(4)
где V - видимость в км;
3,9449 - постоянная в км;
АОТ550 - оптическая толщина аэрозоля.
Уравнение (4) верно для случая AOT550 > 0,1.
В общем случае имеет место следующая линейная взаимосвязь для гомогенной атмосферы:
AOT550 = k ■ bext,
(5)
где k - коэффициент масштабирования. С учетом формул (3)-(5) получим
V =
3,9449
[3k■ f (RH)■ A + A ■ k]'
(6)
где
A =[(NH4 )> SO4 ]+[NH4NO3 ],
(7)
A, = 4 [ОМС] + 10[£С] + [So/7] + 0,6[CM ] +10. (8) Если в первом приближении, учитывая инверсную взаимосвязь, определить f(RH) как
f(RH) = C - T°, где C = const,
получим
V =
3,9449
3k(c - t°)• A + A • k '
(9)
(10)
Таким образом, как видно из формул (10) и (6), увеличение температуры влечет за собой увеличение видимости, а увеличение относительной влажности, наоборот, приводит к уменьшению видимости. Следовательно, температурный режим воздуха также может быть проконтролирован путем измерения видимости
на поверхности Земли.
Все вышеуказанное еще раз подтверждает возможность оценки температурно-радиацион-ного режима в приземном слое воздуха при использовании предложенного метода активного контроля.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:
1. Предложен метод и алгоритм реализации активного контроля температурно-радиа-ционного режима роста растений.
2. Показана целесообразность контроля оптической толщины генерируемого аэрозольного облака путем измерения видимости на поверхности Земли.
3. Получены рабочие формулы, показывающие возможность оценки температурно-радиационного режима в приземном слое воздуха при использовании предложенного метода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989. 464 с.
2. Освещение для растений [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://womanadvice.ru /osveshchnie-dlya-rasteniy
3. Vallson S., Bharat A. Impact of air temperature of relative humidity - A study // Architechture - Time Space & People. February 2011.
4. Retalis A., Hadjimitsis D.G., Michaelides S., Tymvios F., Chrysoulakis N., Clayton C.R.I, Themisto-cleous K. Comparison of aerosol optical thickness with in situ visibility data over Cypris / Natural Hazards and Earth System Sciences [Электронный ресурс]. Режим
доступа: www.nat-hazards-earth-systsci.net/10/421/2010
5. Review of the Washington State Visibility Protection State Implementation Plan. Final Report. Washington State Department of Ecology. November 2002. https://fortress.wa.gov/ecy/publications/publications/02-2012.pdf
6. Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее определение. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 216 с.
7. Park R.J., Jacob D.J., Kumar N., Yantosca R.M. Regional visibility statistics in the United States: Natural and transboundary pollution influences, and implications for the Regional Haze Rule // Atmospheric Environment 2006. Vol. 40. P. 5405-5423.
Поступило в редакцию 22 ноября 2013 г. После переработки 30 декабря 2013 г.
