CC BY
22
УДК 532.529.5
СКОРОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЧАСТИЦ (ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗЕРЕН ПЫЛЬЦЫ И АГЛОМЕРАТОВ) АНЕМОФИЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ
Владимир Викторович Головко
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского, СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская 3, кандидат биологических наук, ведущий инженер, тел. (383)330-77-43, e-mail: golovko@ns.kinetics.nsc.ru
Вячеслав Лазаревич Истомин
Институт гидродинамики им. М. А. Лавреньтьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева 15, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)333-19-38, e-mail: impuls@hydro.nsc.ru
Излагаются результаты определения аэродинамических характеристик 6 видов анемо-фильных растений. Подсчитана процентная доля индивидуальных зерен пыльцы и их агломератов, образующихся при распылении. Определены скорость седиментации как одиночных пыльцевых зерен, так и их агломератов. Установлена зависимость скорости седиментации агломерата от числа входящих в него пыльцевых зерен.
Ключевые слова: скорость седиментации, пыльцевые зерна, агломераты, анемофиль-ные растения, импульс воздуха.
THE SEDIMENTATION RATES OF POLLEN PARTICLES ANEMOPHILOUS PLANTS (INDIVIDUAL GRAINS AND THEIR AGGLAMERATES)
Vladimir V. Golovko
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Bldg. 3 Institutskaya st., tel. (383)333-34-99, e-mail: golovko@kinetics.nsc.ru
Vyacheslav L. Istomin
Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Bldg. 15 Lavrent'ev avenue, tel. (383)333-19-38, e-mail: istomin@hydro.nsc.ru
Results of determination of aerodynamic characteristics of 6 anemophilous plants are reported. The percantage of individual grains and their agglomerates resulting from spraying was calculated. The sedimentation rate of aggllomerates, consisting of one to six pollen grains, was determined. The sedimentation rate of agglomerates was found to depend on the number of the pollen grains involved.
Key words: sedimentation rate, pollen grains, agglomerates, anemophilic plants, air impact.
Перенос пыльцевой компоненты атмосферного аэрозоля - процесс физический. Его дальность, эффективность оседания пыльцы на опыляемые растения и поверхности отбирающих устройств обусловлены скоростью седиментации. Сложная форма пыльцевых частиц, их деформация при высыхании, наличие агломератов из нескольких зерен пыльцы затрудняют теоретические расчеты скорости седиментации переносимой по воздуху пыльцы. Ее определяют экспериментально с помощью седиментометров [1]. К настоящему времени скоро-
сти седиментации описаны для пыльцы «140 видов растений [2-3]. Скорости седиментации агломератов пыльцевых зерен практически не изучались. Ранее нами была изучена седиментация пыльцы нескольких видов западносибирских древесных растений и злаков исрнных трав. Данная работа представляет собой продолжение цикла исследований посвященных изучению аэродинамических характеристик пыльцевых частиц, переносящихся ветром.
Скорость седиментации пыльцевых частиц в неподвижном воздухе определялась по времени, необходимому для их оседания от вершины до дна вертикального цилиндра. Для измерения скорости седиментации пыльцы использовалась установка, разработанная в СО РАН и апробированная при определении скоростей седиментации спор. Схема установки, методика проведения эксперимента и расчета скорости седиментации пыльцевой частицы были подробно изложены ранее [4].
Морфология пыльцевых зерен анемофильных растений способствует их переносу ветром. Их оболочка гладкая, лишена сколько-нибудь выраженных элементов скульптуры. На ней отсутствуют клейкие вещества (трифина). Т.е. они лишены тех морфологических особенностей, которые у насекомоопыляе-мых растений обуславливают прилипание пыльцы к насекомым-опылителям. Форма пыльцевых зерен большинства анемофильных растений до их высыхания близка к сферической (рис. а). Пыльцевые зерна нескольких родов семейства сосновых имеют воздушные мешки, способствующие их переносу в атмо-
Рис. Пыльцевые зерна подорожниека ланцетного (слева) и сосны крымской (справа)
Были исследованы скорости седиментации частиц пыльцы пяти видов анемофильных растений. Зрелая пыльца кедра сибирского, сосны крымской, сосны лесной представлена зернами, имеющими воздушные мешки. Пыльцевые зерна конопли посевной, подорожника ланцетного - исходно сферические, при высыхании приобретающие неправильную форму.
Несмотря на имеющиеся морфологические особенности, способствующие распространению в атмосфере индивидуальных пыльцевых зерен, при распылении пыльцы данных пяти видов растений наряду с ними образовывались агломераты, в состав которых входило от двух и более зерен пыльцы. Это свидетельствует о том, что данные приспособления не способны полностью предотвратить образование агломератов, но лишь уменьшаю долю пыльцевых зерен, входящих в их состав.
При распылении пыльцы в седиментометре пыльцевые агломераты составляют от 29,1 (сосна крымская) до 44,6% (сосна лесная) от общего числа образующихся ПЧ. В их состав входит от 54,9 до 72,4% распыленных пыльцевых зерен.
Таблица 1
Вклад агломератов в количество пыльцевых частиц, осевших на подложку
и доля пыльцевых зерен в их составе
Видовое название Доля агломератов из двух или более зерен пыльцы от общего количества осевших частиц, % Доля пыльцевых зерен в составе агломератов от общего количества осевших ПЗ/тетрад, %
Сосна крымская 29,1 54,9
Кедр сибирский 37,4 66,3
Сосна лесная 44,6 72,8
Конопля посевная 42,5 71,1
Подорожник лацетный 36,0 63,1
Для индивидуальных частиц и для агломератов наблюдается заметный разброс скоростей седиментации. Количества подсчитанных агломератов ^ — от 1 до 6), среднегеометрическое значения и среднегеометрические отклонения их скоростей седиментации шести видов западносибирских растений приведены в таблице 2. С увеличением размера агломератов наблюдается уменьшение числа частиц. При этом именно у них отмечены максимальные стандартные геометрические отклонения скорости седиментации. Видимо, это связано с варьированием размеров индивидуальных ПЗ и наличием некоторого числа абортивных ПЗ, что приводит к разбросу скоростей оседания. С ростом числа ПЗ в агломерате эти факторы, вероятно, взаимно компенсируются, а сам агломерат становится более симметричной фигурой. В результате разброс значений скоростей седиментации при оседании уменьшается.
Скорость оседания агломерата возрастает с увеличением количества составляющих его частиц. Ранее нами было показано, что скорости седиментации агломератов в зависимости от числа частиц в агломерате хорошо аппроксимируются степенной зависимостью, построенной методом наименьших квадратов. Аппроксимационные зависимости строились из предположения, что:
~~ ^ , ДЛЯ 1<7<6 (1)
где У] - средняя скорость агломерата состоящего из у частиц, V - средняя скорость единичного зерна.
Для исследуемых нами растений полученные данные можно аппроксимировать эмпирическими зависимостями, предложенные в табл. 3.
Таблица 2
Результаты определения скоростей седиментации ПЗ и их агломератов шести видов сорных трав
Сосна крымская Кедр сибирский Сосна лесная Конопля посевная Подорожник ланцетный
Число агломератов 4890 9132 7503 6249 6059
т V], см/с 2,7 2,9 3,0 1,0 1,5
1,4 1,6 1,4 1,4 1,4
Число агломератов 991 2491 2796 2006 1696
II V], см/с 3.4 3,5 4,0 1,4 2,1
1.4 1,5 1,4 1.4 1,4
Число агломератов 460 1211 1248 1083 814
т II V], см/с 4,0 4,1 5,0 1,7 2,5
1.3 1,4 1,3 1,3 1.3
Число агломератов 330 730 747 568 426
^Т II V], см/с 4,9 4,5 5,9 1,9 2,9
1,3 1,4 1,3 1,4 1,3
Число агломератов 142 374 516 407 214
II V], см/с 5,6 5,6 6,5 2,1 3,2
1,2 1,4 1,3 1,3 1,3
Число агломератов 61 248 317 275 129
ю II V], см/с 6,0 6.6 7,0 2.3 3,7
1,2 1,3 1,3 1,3 1.3
Таблица 3
Эмпирические зависимости и коэффициенты корреляции
п/п Видовое название эмпирическая зависимость V], см/с коэффициент корреляции г
1 Сосна крымская 2 7*^,386 0,997
2 Кедр сибирский 2 9*|0,456 0,996
3 Сосна лесная Э.0*]0'493 0,972
4 Конопля посевная 1,0*)°'497 0,985
5 Подорожник лацетный 1,5*)°'304 0,957
Данные табл. 3 можно подытожить следующим выводом: полученные средние значения скоростей седиментации агломератов ПЗ в зависимости от числа частиц в агломерате аппроксимируются степенной зависимостью вида:
V~j=a*jk, для 1 <j <6, (2)
где V - среднее значение скорости седиментации агломерата состоящего из j
частиц, размерные коэффициенты a и показатель степени к находятся из экспериментальных данных для каждого вида растений. Коэффициент корреляции г -принимает значения в диапазоне 0,957<г<0,997, к принимает значения в диапазоне 0,304<к<0,497.
Зафиксированный диапазон Vj от 1,0 см/с для единичного пыльцевго зерна конопли посевной до 7,0 см/с для агломерата из шести зерен сосны лесной, обусловлен различием размеров исследуемых частиц. Полученные данные указывают на то, что само по себе наличие пыльцевых агломератов не может служить препятствием для опыления ветром. Скорости седиментации агломератов конопли посевной сопоставимы со скоростями седиментации одиночных ПЗ клена ясенелистного и облепихи крушиновидной (2,3 см/с), и меньше со скоростей седиментации одиночных ПЗ ореха манчжурского (4,2 см/с) и дуба череш-чататого (2,7 см/с), найденных нами ранее [4]. Установленные экспериментальным путем зависимости позволяют оценить скорости седиментации агломератов, состоящих из произвольного числа ПЗ и пыльцевых тетрад, что дает возможность оценить эквивалентные диаметры таких частиц и использовать полученные значения при моделировании распространения пыльцы в атмосфере.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Истомин В.Л., Куценогий К.П. Определение скорости седиментации спор плауна и их агломератов //Теплофизика и Аэродинамика. - 2001. - Вып. 8 (2). - С. 295-300.
2. Jackson S. T., Lypord M. E. Pollen Dispersal Models in Quaternary Plant Ecology: Assumptions, Parameters, and Prescriptions // The botanical review. - 1999. - V. 65 (1). P. 39-74.
3. Головко А.В., Истомин В.Л., Куценогий К.П. Определение скорости седиментации пыльцевых частиц (как одиночных зерен, так и их агломератов) растений, произрастающих в Западной Сибири. // Оптика атмосферы и океана. - 2013. - Вып. 26 (6). - С. 513-518.
4. Истомин В.Л., Куценогий К.П. Методика определения аэродинамического диаметра аэрозольных частиц сложной геометрической формы в диапазоне чисел Рейнольдса от 0,1 до 6,0 // Теплофизика и аэродинамика. - 2010. - Вып. 17 (1). - С. 77-83.
© В. В. Головко, В. Л. Истомин, 2016
