Читать книгу Пчёлы выбирают металл - КОНСТАНТИН ДМИТРИЕВИЧ ПАЩЕНКО - Страница 11

Окончание пчеловодческого сезона, на дворе осенняя пора, желтеет листва, ночные температуры стремятся к нулю, иногда случаются заморозки. Пчелиные семьи в ульях обработаны от клеща варроа, ужаты и обеспечены кормом, поставлены, как внутренние, так и наружные утепления. Каждый пчеловод для себя отметил готовность к зимовке, но где-то в подсознании затаился страх: “ А перезимуют?”. Страх рождённый неопределённостью, нет точных рекомендаций, советов и знаний, как зимуют пчелиные семьи. Учёные, на основании гипотез и эмпирического опыта, накопленного столетиями, предлагают рецепты, но в них нет уверенности, не всегда себя оправдывают. В результате пчеловод сам на сам оказывается перед выбором, по какому идти пути. Конечно, в данном случае большое значение имеет личный практический опыт, добытый за многолетний период путём проб и ошибок, или советы дяди Васи. Вот только вопрос:” А хватит ли опыта на двоих с дядей Васей, ведь раз на раз не всегда приходится?”.

За многие лета учёные и пчеловоды хорошо усвоили, что пчелиный клуб начинает формироваться осенью при среднесуточной температуре ниже 14оС. В это время клуб рыхлый и не имеет устойчивого формирования. С колебаниями суточной температуры относительно 14оС меняется и наличие клуба. При устойчивом похолодании, клуб окончательно сформирован и готов к зимовке. Все пчеловоды в течение зимы на себе замечали маниакальный синдром к погодным условиям, постоянный контроль температуры, осадков, направление ветра, завывание вьюги и каждый переживает: ” Как там они?”. Самые несдержанные или малоопытные пчеловоды непосредственно контролируют зимовку, прослушивают, постукивают, а то и залазят посмотреть. Ближе к весне ажиотаж у пчеловодов возрастает, начинаются подкормки, постановка дополнительных рамок и одно в голове: “ Только бы дожили”, но много и таких, которые уже считают убытки, минус один, минус два, минус три, минус полпасеки.

Приближается весна, солнышко поднимается всё выше и выше, прогревается воздух, столбики термометров поднимаются всё ближе и ближе к заветной отметке в 12оС. У каждого пчеловода, за окном в квартире или на точку в тени, имеется наружный термометр. Всякий раз, когда чистое небо и пригревает солнышко, возбуждённый пчеловод бежит к градуснику и контролирует. И наконец: “Вот, вот они заветные 12оС и солнышко!”. Пчёлы пошли на облёт и все пчеловоды: “Слава Господу! Перезимовали!”.

В пасмурную погоду, когда солнце закрыто тучами, и на термометре 12оС, пчёлы никогда не пойдут на облёт. То есть, солнце, нагревая улей, дополнительно повышает температуру внутри улья на два – три градуса. Следовательно, значение температуры 14оС для пчёл имеет магическое содержание, это граница формирования и распада клуба.

А почему так? Почему 14оС?

Ранее мы рассмотрели внешнюю температуру, влияющую на формирование и распад пчелиного клуба. С другой стороны, многочисленные исследования зимнего клуба учеными, утверждают интервал температур в клубе от 20 до 28оС, а со средины зимовки в пчелиных семьях с расплодом и до 36оС. Некоторые оппоненты могут вступить в дискуссию, приводя в пример результаты температуры также многих исследований с вариацией нижней границы пространства возле клуба от 6 до 20оС. Хочу заметить, все, абсолютно все исследования и замеры температур в зимнем клубе производились в гнёздах ульевых пчёл, подчёркиваю, ульевых пчёл. Как отмечалось мною ранее, улей представляет собой систему с нарушенной действительностью, в которой невозможно познать истину, а значит невозможно установить температурные закономерности, соответствующие природному порядку. Со всего вороха исследований и экспериментов по температуре в зимнем клубе, произведённых за последнее столетие, достойны внимания единицы, одним из которых являются эксперименты немецкого исследователя Гарольда Эша. Гарольд Эш, используя электрофизиологический метод с помощью усовершенствованных термоэлементов, проводил замеры всех частей тела пчелы, которые находились в разных точках пчелиной семьи и в клубе.

Г. Эш (1961) в одном из экспериментов установил, температура тела пчелы на поверхности клуба не опускается ниже 20оС.

В природном жилище пчёл, идеальном дупле, пчёлы клуба полностью контролируют площадь нижнего сечения. Следовательно, суммарная температура пчёл в нижней части клуба всегда поддерживается на уровне 20оС. Это не случайность, в процессе эволюции частая смена климатических условий заставила вид медоносных пчёл выработать механизм выживания при низких температурах. Этот механизм мы сейчас и рассматриваем.

Значения 14оС и 20оС не являются точными, у каждого из них есть своё поле допуска, поэтому для наглядности и простоты восприятия примем соответственно 14оС и 21оС. Найдём отношение температуры нижней части клуба к температуре внешней среды при формировании клуба. В результате мы получим число 1,5, запомним эту цифру.

Чтобы наглядно понять процесс, происходящий в гнезде пчёл, перенесёмся в Китай (КНР). В этой стране любят запускать летящие фонарики. Светящийся фонарик на фоне тёмного неба весьма красивое зрелище.

Первоначально, расправив конструкцию фонарика, если его отпустить, то он просто упадёт. Но, когда снизу зажечь свечу и устройство немного подержать, фонарик начнёт подниматься вверх. В безветренную погоду, светящиеся огоньки парят на весьма почтенной высоте.

Свеча затухает и если в это время понаблюдать за полётом, то фонарик продолжает подниматься, затем останавливает подъём, висит некоторое время, а далее медленно с нарастающей скоростью идёт на снижение.

Уважаемый читатель, чтобы понять какие природные процессы происходят в пчелином гнезде, крайне необходимо обратиться к элементарной прикладной физике, поэтому наберитесь терпения.

Какие законы описывают полёт фонарика? Обратимся к школьному курсу физики и вспомним закон Архимеда:

На всякое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила Архимеда равная произведению ускорения свободного падения на плотность жидкости или газа и на объём тела.

Fa = g pв Vф,

Fа – сила Архимеда,

g – ускорение силы тяжести,

рв – плотность окружающего фонарик воздуха,

Vф – внутренний объём фонарика.

Примем во внимание, что продуктами горения свечи есть газообразные вещества с высокой степенью нагрева. Среди продуктов горения, наибольшим по количеству и самым тяжёлым по молярному весу (44) есть диоксид углерода. При чём, более нагретые порции газа станут заполнять верхний объём фонарика, выдавливая остывшие порции через нижнее отверстие.

С другой стороны, из второго закона сера Иссака Ньютона на фонарик действует сила тяжести:

Fт = g m = g pсо2 Vф,

где Fт – сила тяжести,

g – ускорение силы тяжести,

m – масса тела,

рсо2 – плотность диоксида углерода,

Vф – внутренний объём фонарика.

Разность между силой Архимеда и силой тяжести будет подъёмная сила нагретого газа СО2.

Fп = Fa – Fт = g pв Vф – g pсо2 Vф = ( pв – рсо2) g Vф.

Рассмотрим ситуацию, когда подъём фонарика остановился, и он завис. Следовательно, в этот момент подъёмная сила равна нулю, а значит, плотность воздуха сравнялась с плотностью углекислого газа.

рв – рсо2 = 0 или рсо2/рв = 1.

Эта формула описывает граничное условие подъёма фонарика.

При этом на плоскости среза нижнего отверстия фонарика установилось кратковременное равновесие плотностей диоксида углерода и воздуха. При дальнейшем остывании диоксида углерода, газ начнёт вытекать из отверстия фонарика, как более тяжёлый, а воздух станет заполнять образовавшуюся зону разряжения. Изменению газового состояния внутри фонарика будет соответствовать медленное опускание, по нарастающей вниз, самого фонарика. Когда воздух полностью заполнит внутренний объём, фонарик начнёт падать с ускорением свободного падения (за вычетом силы сопротивления и влияния ветровой нагрузки).

В формуле граничного условия при равенстве плотностей диоксида углерода и воздуха найдём зависимость их температур. Обратимся к молекулярно-кинетической теории газов и, используя формулу Менделеева – Клапейрона для идеального газа, распишем плотности диоксида углерода и воздуха.

P V = m R T/ М , m = p V, следовательно, р = М Р/ R T.

рв = Мв Р/ R Tв, рсо2 = Мсо2 Р/ R Tсо2,

где рв – плотность воздуха в граничной зоне,

Мв – молярная масса воздуха 29

Р – давление в граничной зоне,

R – универсальная газовая постоянная,

Тв – температура воздуха на границе соприкосновения,

рсо2 – плотность диоксида углерода в граничной зоне,

Мсо2 – молярная масса диоксида углерода 44,

Тсо2 – температура диоксида углерода на границе соприкосновения.

Подставим в формулу граничного условия полученные значения плотностей воздуха и диоксида углерода, имеем:

Tсо2 / Тв = Мсо2 / Мв = 44 / 29 = 1,51!

Выходит, для того чтобы диоксид углерода стал легче воздуха его необходимо нагреть до температуры более чем в полтора раза превышающей температуру окружающей среды.

Но, “ вернёмся к нашим баранам”, а не то ли это число 1,5, которое нам необходимо было запомнить?

По данным Г. Эша (1961) температура тела пчелы (груди) в активном состоянии выше температуры зоны её нахождения на 8-12оС. Тогда, если рассматривать значение верхнего интервала температур в клубе (28оС), когда пчёлы в активном состоянии, каждая пчела выдыхает воздух с температурой выше 37оС. Выдохнутый тёплый воздух и тёплый воздух от разогретого тела пчёл поднимаются вверх и заполняют все пустоты, находящиеся над пчелиным клубом, а также окунают в эту теплоту и сам клуб. Таким образом, создаётся тепловая ловушка пчелиного роя.

Пчёлы выдыхают воздух с большим содержанием диоксида углерода и парами метаболической воды. По справочной литературе, сильная семья за сутки при съедании 60 грамм мёда выделяет 40 литров СО2 и 40 грамм Н2О. При стабильной температуре воздуха, в объёме тепловой ловушки, концентрация составляющих воздуха распределена по всему объёму, но с понижением температуры градиент концентрации молекул СО2 увеличивается к нижней границе тепловой ловушки. Следовательно, в нижней части зимнего пчелиного клуба на нижней границе тепловой ловушки соприкасаются молекулы диоксида углерода (сверху) и свежего воздуха (снизу).

Как мы уже установили, условием равновесного существования двух газовых сред, нагретого диоксида углерода и воздуха, является уравнение

рсо2 / рв = 1,

тогда условием циклического существования в тепловой ловушке пчелиного роя пояса диоксида углерода станет неравенство

рсо2 / рв ≤ 1.

Плотность газа является функцией от температуры, следовательно, гарантом, выполнения условия циклического существования пояса диоксида углерода, в пчелином гнезде, есть температурное неравенство:

Т со2 ≥ 1,5 Тв.

Таким образом, в дупле и при правильной сборке пчелиного гнезда в улье, падение температуры наружного воздух ниже 14оС приводит к образованию, в нижней части тепловой ловушки, циклически устойчивого воздушного пояса с повышенной концентрацией диоксида углерода. Я написал “устойчивого”, потому что условия для выполнения неравенств, с плотностями и температурами, всегда были в гнезде и ранее, но имели неустойчивый кратковременный характер, и воздушный пояс диоксида углерода находился выше зоны расплода, но об этом далее.

Окунание пчёл в воздух с повышенной концентрацией диоксида углерода и низким содержанием атмосферного кислорода, как уже рассматривалось, затормаживает активность пчёл на клеточном уровне и пчелиная семья, снижая энергетические затраты, собирается в клуб.

Группа украинских исследователей под руководством В. А. Гайдара (1993), при непрерывном наблюдении за пчелиными семьями в зимний период, установила циклический характер кратковременной активности пчёл. Активность пчёл наблюдалась в разных ульях с интервалом от 10 до 19 часов.

Этот факт подтверждает циклический характер существования в тепловой ловушке воздушного пояса диоксида углерода. Временные различия, отличие интервальной активности пчёл в разных ульях, указывают на разные условия, созданные пчеловодом для зимовки каждой из семей. Чем длиннее временной интервал покоя пчелиной семьи, тем лучше условия зимовки.

Как функционирует цикл воздушного пояса диоксида углерода в тепловой ловушке? Каждый цикл делится на две фазы, активная и пассивная. Активная фаза проходит в воздушной среде при воздействии на пчёл атмосферного кислорода. В активной фазе все пчёлы семьи нарабатывают тепло для заполнения объёма тепловой ловушки, естественным путём происходит заполнение объёма гнезда воздухом с повышенным содержанием углекислого газа. В конце активной фазы клуб пчёл, погружённый в воздух с повышенной концентрацией диоксида углерода, прекращает выработку тепла и переходит в состояние пассивного покоя.

Выработка тепла пчёлами клуба в активной фазе имеет две составляющих, с одной стороны это непосредственно тепло от дыхательного процесса, а с другой, согласно, исследованиям Г. Эша (1961), выделение тепла телом пчелы от работы грудных летальных мышц непрямого действия. В пассивной фазе, как более длительной, пчёлы находятся в состоянии покоя, периоде постоянного ожидания. Постоянное ожидание потому, что любой стук, любое изменение внешних условий в окружении пчелы активизирует её деятельность, иначе не выживешь, плоды эволюции. За время интервала пассивной фазы (от 0 до нескольких десятков часов, всё зависит от тепловых потерь жилища пчёл) молекулы СО2 теряют свою кинетическую энергию и воздушный пояс диоксида углерода, снизив температуру, по периферии гнезда вытекает в подклубное пространство, а в образовавшийся разрежённый объём через центр гнезда из подклубного пространства устремляется воздух с атмосферным кислородом. Здесь также следует отметить, что вместе с вытеканием воздушного пояса с СО2 вытечет и вся газовая составляющая тепловой ловушки вместе с остывшими парами метаболической воды, это окончание цикла.

Почему вытекание диоксида углерода проходит через периферию? Потому что остывание воздушного пояса диоксида углерода на границе со стенками дупла или улья происходит значительно быстрее, чем в центре.

Концентрация СО2 в верхней части пчелиного клуба кратковременна, из-за непрерывности процесса остывания и наполнения верхней части тепловой ловушки теплом идущим от пчёл, разогревающих медовые соты. Поэтому верхняя часть клуба располагается на медовых сотах в области влияния атмосферного кислорода и пчёлы в этой части всегда активны, здесь всегда высокая температура и в этой зоне каждая из пчёл питается запасами корма. К месту следует уточнить, на практике исследованиями О.С. Львова (1954) и В.С. Коптева (1966) установлено, преобладающая масса пчёл в зимнем клубе занимает от 60 до 70% сот свободных от мёда, это как раз та часть пчелиного клуба, который находится в поясе СО2 и как раз та часть клуба, которая отвечает за добычу воды, но эти тонкости изложены далее.

Мы рассмотрели нижнюю часть тепловой ловушки пчелиного клуба, далее обратим взоры на верхнюю часть. Как уже отмечалось, верхняя часть тепловой ловушки в основном состоит из воздуха с обеднённым содержанием кислорода и парами метаболической воды, и вся эта газовая смесь заполняет пространство между медовыми сотами. В дупле расстояние между медовыми сотами составляет от 4 до 6 мм. Почему такая конструкция? Всё связанно с разностью тепловых потерь воздуха с диоксидом углерода и воздуха с атмосферным кислородом и водяными парами, последний быстрее отдает тепло, следовательно, быстрее снижается его температура. Для справки, коэффициент теплопроводности углекислого газа при 20оС равен 0,0162 Вт/м*град, а воздуха 0,0257 Вт/м*град. Если бы не было медовых сот, то воздух верхней части остывал быстрее и раньше вытекал в подклубное пространство и тем самым разрушал пояс СО2. Но нагретые медовые соты не позволяют резко снизить температуру верхней части воздуха в тепловой ловушке и тем самым удерживают верх и низ тепловой ловушки в энергетическом равновесии. Вот почему у пчёл, за миллионы лет существования в процессе естественного отбора при строительстве гнезда в частности и выработался размер свободного пространства, который соответствует минимальным тепловым потерям в верхней части тепловой ловушки. Если зазор больше, то верхняя часть тепловой ловушки быстрее остывает и у пчёл сокращается фаза пассивного покоя, но самое плохое положение, это лишение гнезда потолка и устройство сквозной вентиляции, в этом случае понятие покоя у пчёл полностью отсутствует. Вот поэтому, пчеловоду, при формировании гнезда, нельзя оставлять большие зазоры между медовыми сотами и разрушать потолок, вот поэтому размер межсотового пространства должен быть 9мм, вот поэтому, если оставлен большой зазор улочки в медовом корпусе, пчёлы отстраивают рамки большой толщины. Все свои усилия пчёлы направляют на оптимизацию гнездового пространства в привязке к минимизации тепловых потерь и связанное с этим создание благоприятных условий для жизнеобеспечения пчелиной семьи.

Таким образом, пчелиная колония в природе максимально и весьма экономно использует выработанное клубом тепло и при этом выполняется задача сохранения жизненного ресурса каждой конкретной пчелы. Не удивительно, что в нашей местности (юг Украины) зимуют дикие рои весом всего 300 грамм. При такой многопрофильной экономии пчёлы колонии на начало весны выходят физиологически здоровыми с неизрасходованным запасом биологического ресурса каждой пчелы.

В результате пчелиная семья бурно развивается, ей дан хороший старт. Поэтому нет странности в том, что природные пчелиные семьи вступают в полосу роения на две – три недели ранее, чем пчелиные семьи в ульях.

К сожалению, на практике большинство пчеловодов пренебрегают ролью природной тепловой ловушки и зимовку проводят за счёт расходования суммарного жизненного ресурса пчелиной колонии. Для этого в зиму создаются мощные семьи, но незнание, как управлять такой силой и частые потери таких семей, привели к устранению тепловой защиты. В результате такого подхода к весне пчёлы физиологически изнашиваются, и их ресурса хватает только для выращивания пчёл первой генерации, а должно хватать на две. Отсюда медленное развитие пчелиных семей и слабое потомство, и естественно отсутствие хорошего взятка с весенних медоносов.

Для пчеловодов, использующих для зимовки омшаники, следует знать, чем выше температура в омшанике, тем чаще проходят циклы тепловой ловушки, тем больше расходуется корма, тем быстрее пчелиный клуб поднимается вверх. Аналогичная картина происходит и в тёплые зимы, относительно высокая атмосферная температура быстро разрушает углекислотный пояс в гнезде пчёл, и пчёлы чаще выходят с анабиоза, что приводит к частому поеданию запасов мёда и повышенным энергетическим затратам.

К месту следует добавить, в природном жилище пчёл, в дуплах, где длина сот составляет несколько метров, активная фаза длится дольше. Выдохнутый тёплый воздух, согласно закону Архимеда, поднимается между медовых сот на определённую высоту. За время подъёма воздух отдает тепло медовым сотам, но потеряв кинетическую энергию молекул, останавливается, запирая продвижение тепла вверх. По окончании активной фазы столб воздуха опускается вниз. Этот воздух, двигаясь вдоль теплых медовых сот и подходя непосредственно к пчелиному клубу, опять нагревается и распределяется в тепловой ловушке, согласно плотности и молярной массы составляющих воздуха. Молекулы углекислого газа опускаются вниз тепловой ловушки. При этом увеличивается концентрация углекислого газа в гнезде дупла до 10%* и длительность пассивной фазы возрастает.

Также хочу отметить, выводы Е. К. Еськова (1978) относительно отрицательной роли повышенного содержания углекислоты в зимнем клубе являются неверными. Учёный не рассматривал влияние СО2 на пчёл в динамике гнезда, а стационарно наркотизировал пчёл, содержащихся в терморегулируемой камере.

Для более скрупулёзной аудитории пчеловодов, знакомых с термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией газов, замечу, количество тепла в тепловой ловушке, от пчелиного нагрева в активной фазе, хватит от силы на 15-20 минут, и температура воздуха в тепловой ловушке поднимется приблизительно на 1оС. Но за период активной фазы, пчёлы поднимут температуру своего тела до 37оС и гнездо заполнятся воздухом с повышенным содержанием нагретого углекислого газа, более 4%, что и снизит активность. Далее пчелиный клуб, как нагретое тело, будет излучать тепло и при этом медленно остывать. Основными физическими понятиями для удержания тепла в тепловой ловушке являются мощность тепловых потерь стенок и потолка улья, мощность тепловых потерь через дно улья, мощность теплоотдачи клуба и мощность теплоотдачи медовых сот. Именно на их соотношении и удерживается в течение более 10 часов один цикл тепловой ловушки, но теплофизику рассмотрим далее.

По данной теме сообразительный пчеловод может задать резонный вопрос:

“Почему весной при наружной температуре более 14оС пчёлы всей семьёй дружно выходят на облёт, а поздней осенью и температура выше и ульи сильнее нагреваются солнцем, но такого не наблюдается?”

Ответ дам в развёрнутом виде, здесь полумерами не обойтись.