Исследование феномена «черемуховых холодов» и «бабьего лета» Тип работы: исследовательская работа Автор: Стародубцев Алексей, 8 класс моу «Лицей №174»
Скачать 0.73 Mb.
|
Понижение температуры влияет на фотосинтез прямо, уменьшая активность ферментов, участвующих в темновых реакциях, и косвенно, благодаря повреждению органелл. Минимальная температура для фотосинтеза растений средней полосы около О °С, для тропических растений 5—10 °С. [18]Минеральное питание. Одна из наиболее частых причин хлороза — недостаток какого-либо необходимого элемента. Недостаток азота — обычная причина хлороза древесных растений, особенно у старых листьев. Другая распространенная причина хлороза заключается в недостатке железа, преимущественно у молодых листьев. Достаточное снабжение железом необходимо, очевидно, для синтеза хлорофилла. В состав хлорофилла железо не входит, но оно служит кофактором для предшественника хлорофилла. Магний является составной частью хлорофилла, поэтому его недостаток, естественно, вызывает хлороз. Недостаток большинства макроэлементов и некоторых микроэлементов может быть причиной хлороза. Можно предположить, что почти любое нарушение нормального метаболизма препятствует синтезу хлорофилла. [2а] Вода. Умеренный водный стресс замедляет образование хлорофилла, а сильное обезвоживание растительных тканей не только нарушает синтез хлорофилла, но и вызывает распад уже имеющихся молекул. В результате листья растений, подвергшихся воздействию засухи, имеют тенденцию к пожелтению. Листья деревьев и кустарников могут также пожелтеть при насыщении водой почвы вокруг их корней. Действие засухи и плохой аэрации почвы является до некоторой степени косвенным: синтез хлорофилла задерживается вследствие общего нарушения метаболизма. [2а] 2.3.2. Хлорофилл и другие пигменты растений.
У большинства деревьев осенью листья изменяют свою окраску с зеленой на желтую, красную или коричневую и опадают с ветвей. [1] По поводу пигментной системы растений существует несколько различных мнений: 1) В листьях растений наряду с зеленым хлорофиллом содержатся желтые пигменты — каротиноиды. При наступлении холодов образования новых молекул хлорофилла не происходит, а старые быстро разрушаются. [24] Каротиноиды же устойчивы к низким температурам, поэтому осенью эти пигменты становятся хорошо заметными. Они и придают листьям многих растений золотисто-желтый и оранжевый оттенок. Наряду с хлорофиллом и каротиноидами в листьях растений имеются пигменты, которые носят название антоцианов. Они хорошо растворимы в воде и содержатся не в цитоплазме, а в клеточном соке вакуолей. Эти пигменты очень разнообразны по окраске, которая зависит в основном от кислотности клеточного сока. Антоцианы, как и каротиноиды, более устойчивы к низким температурам, чем хлорофилл. Поэтому они и обнаруживаются в листьях осенью. [24], Есть классический опыт, подтверждающий одновременное присутствие в листе желтых и зеленых пигментов (хлорофилла и ксантофилла). Каждый, вероятно, знает, что зеленые части растений, если их бросить в крепкий спирт, начинают бледнеть, тогда как спирт, напротив, быстро зеленеет. Этот процесс обесцвечивания листьев вызван тем, что хлорофилл растворяется в спирту, и особенно быстро при подогревании или даже осторожном кипячении спирта в водяном баке. Крепкая спиртовая вытяжка из зеленых листьев при рассматривании ее в проходящем свете выглядит изумрудно-зеленой, в отраженном же свете флюоресцирует (отсвечивает) вишнево-красным оттенком. Вместе с хлорофиллом в спирт переходят и желтые пигменты. Чтобы отделить их, в вытяжку следует налить немного бензина. Взболтав смесь, через некоторое время можно заметить, что бензин, как более легкий, всплывет наверх, тогда как слой спирта останется внизу. При этом бензин будет иметь изумрудную окраску, спирт же примет золотисто-желтый цвет от оставшихся в нем желтых пигментов листа — ксантофила и каротина. Отделение хлорофилла от желтых пигментов основано на том, что он обладает большей растворимостью в бензине, чем в спирте. [24] 2) Тетенькин Владимир Леонидович. К. б. н., эксперт национально-образовательной программы «Интеллектуально- творческий потенциал России» [11] считает, что осенью цвет листвы обусловлен не только остатками каротиноидов, но и образованием продуктов распада (главным образом) хлорофилла. Багряный пигмент образуется в листьях как промежуточная стадия распада хлорофилла. Он вовсе не является более устойчивы, просто не успевает разложиться, так как ферменты, которые занимаются его деструкцией, гибнут, не успевая довести дело до конца. Его поддерживает Барнард Кройтлер (Bernhard Kräutler) с коллегами из Университета Инсбрук [25], которые впервые показали, что в основе золотых красок осени лежат продукты разложения хлорофилла. 3) Желтые пигменты всегда есть в зелени растения, но летом они совершенно незаметны, так как замаскированы интенсивно-зеленой окраской хлорофилла; (мнение №1). Но необходимо добавить, что не только ксантофил и каротин обусловливают желтую окраску листьев осенью; в настоящее время найдены еще и другие желтые пигменты, которые отсутствуют в живых тканях листа и появляются лишь при их отмирании в момент листопада. [6] Хочу заметить, что в основе всех трех мнений имеет место процесс разрушения молекулы хлорофилла. Подробно механизм разрушения хлорофилла пока не изучен. Известно лишь, [7] что на ранних стадиях его распада теряются фитол и атом магния, в результате чего образуется феофорбид (рис.1). Порфириновая система колец затем расщепляется с образованием бесцветных соединений, имеющих сравнительно небольшую молекулярную массу.  рис. 12.3.3. Солнечная энергия. Распределение солнечной энергии . Поступающая на поверхность Земли солнечная радиация является основной энергетической базой формирования климата. Она определяет основной приток тепла к земной поверхности. Чем дальше от экватора, тем меньше угол падения солнечных лучей, тем меньше интенсивность солнечной радиации. Солнечная радиация - основной двигатель всех природных процессов в географической оболочке. Именно благодаря ей текут реки, дуют ветры, зеленеют поля... .[12] Приблизительно 1/3 (33%) общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем стратосферы, 7% - остальной атмосферой. Следовательно, только половина (47%) солнечной энергии достигает земной поверхности. Но из этой половины 7% отражается обратно в мировое пространство, а еще 15%, поглощаясь земной поверхностью, трансформируется в теплоту, которая излучается в тропосферу и в значительной мере определяет температуру воздуха. [13] Количество солнечной энергии, достигающей земной поверхности варьирует в широких пределах. Все зависит от высоты стояния Солнца над горизонтом или угла падения солнечных лучей (рис.1), а также географическим местоположением относительно экватора. [14]  Рис. 1 Распределение солнечной радиации в зависимости от высоты Солнца над горизонтом (А1 — высокое, А2 — низкое) Усредненные данные поступления солнечной энергии приведены на карте №1[15] , а также в приложении. Карта №1 Интенсивность поступления солнечной энергии  Анализируя карту видно, что ученые выделяют 4 зоны интенсивности солнечного излучения: - В зоне максимальной интенсивности солнечного излучения (по южной границе России от Байкала до Владивостока, в районе Якутска, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, как это не странно, за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли) на 1 квадратный метр поступает более 5 кВт.час. солнечной энергии в день. - Поступление солнечной энергии от 4 до 4,5 кВт.час на 1 кв. метр в день характерно для Краснодарского края, Северного Кавказа, Ростовской области, южной части Поволжья, южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин. Сюда же относится наш Красноярский край, Магадан, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО. - От 2,5 до 3 кВт.час на кв. метр в день по западной дуге - Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Салехард, восточная часть Чукотки и Камчатка. - От 3 до 4 кВт.час на 1 кв. метр в день- остальная территория страны. 2.3.4. Солнечная радиация и ФАР Солнечная радиация (лучистая энергия Солнца) — электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 300 тыс. км/с, доходят до земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. [16] Прямая – поступает от диска Солнца в виде пучка параллельных лучей. При прохождении через атмосферу, она частично рассеивается газами и аэрозольными примесями в воздухе (пыль водяной пар) и переходит в форму рассеянной радиации, которая составляет примерно 25% энергии общего потока солнечной радиации. Однако рассеянная радиация будет существенно отличаться от прямой, так как она идет не от солнечного диска, а от всего небесного свода. В связи с этим ее приток измеряют на горизонтальную поверхность. Рассеивание солнечной радиации в атмосфере дает рассеянный дневной свет, то есть вся атмосфера днем служит источником освещения и светло даже там, куда не попадают солнечные лучи или при сплошной облачности, закрывающей Солнце. [4] Около 48 % солнечной радиации приходится на видимую часть спектра (0,38—0,76 мкм), 45 % — на инфракрасные (тепловые) лучи (более 0,76 мкм) и 7 % — на ультрафиолетовое излучение (менее 0,38 мкм) [16] ФАР (Фотосинтетически активная радиация) — область спектра солнечных лучей в диапазоне длин волн 0,38—0,71 мкм, оказывающих наибольшее физиологическое воздействие на растения (используемая растениями в процессе фотосинтеза). Количество ФАР зависит от количества прямой и рассеянной радиации, которая, в свою очередь также зависит от высоты светила над горизонтом. [16] Приход ФАР определяется по поступлению прямой и рассеянной радиации, с помощью приборов и по формуле[4]: R фар = 0,43 I1 + 0,57 i, где:I1 - прямая солнечная радиация (на горизонтальную поверхность); i - рассеянная радиация. 2.3.5. Использование ФАР растительностью
Получается, что поток солнечной радиации огромен и несет большое количество энергии. Если бы она целиком использовалась при фотосинтезе, то на гектаре посевов в течение суток могло бы образовываться около 10 тонн органических веществ. Этого не происходит, так как при фотосинтезе используется только 1,5-2% ФАР, а основная часть лучей идет на процессы образования хлорофилла, формирования хлоропластов, работу устьичного аппарата, регуляцию газообмена, солнечные лучи активизируют ряд ферментов, стимулирующих биосинтез белка и нуклеиновых кислот, свет обеспечивает деление и растяжение клеток (рост). Большая часть ФАР тратится на испарение (транспирацию) и только 20% энергии, поглощенной листом, отражается и проходит через него. [13] К. А. Тимирязев назвал лучи, участвующие в фотосинтезе, "похищенными лучами солнца". [19] 2.4. Проведение физико-математических расчетов. 2.4.1. Черемуховые холода» 2010, 2011 г. Итак, для того чтобы провести расчеты и узнать «Сколько же энергии забирает фотосинтез в Зеленогорске?», необходимо было рассчитать: - Какое количество солнечной радиации поступало на Землю до наступления «черемуховых холодов», т.е. 31 мая? - Количество ФАР, поступающей на нашу территорию? Доля поглощенной ФАР в период наибольшей вегетации в Зеленогорске? - Доля ФАР, поглощаемая вечнозелеными хвойными до наступления черемуховых холодов и распускания листьев листопадных деревьев. - Количество энергии необходимой для нагревания воздуха на 1 °С 30-31 мая. 1). Какое количество солнечной радиации поступало на Землю до наступления «черемуховых холодов», т.е. 31 мая? Мне удалось найти таблицу [22] (приложение 3 стр. 22), в которой видно, что средняя сумма солнечной радиации в декабре по г. Красноярску (минимальное значение) составляет 0,62 кВтч/м.кв., а средняя дневная сумма солнечной радиации в июне – 5,48 кВтч/м.кв. Так как самая длинная ночь 22 декабря, а самый длинный день 22 июня, предположим, что в таблице приведены именно эти даты. Значит, ежемесячно, количество солнечной радиации увеличивается на 0,81 кВтч/м.кв, а за один день на 0,027 кВтч/м.кв. Так как, согласно фенологическим и метеорологическим наблюдениям, «черемуховые холода» наступили с 1 июня, то 31 мая, количество солнечно радиации составляло 4,67 кВтч/м.кв + 9 дн.х 0,027 кВтч/м.кв = 4,9 кВтч/м.кв, 2). Количество ФАР, поступающей на нашу территорию? в связи с тем, что земной поверхности в виде прямых и рассеянных солнечных лучей, достигает лишь 47% солнечной энергии, значит это 2,303 кВтч/м.кв. Чтобы высчитать количество ФАР на нашей территории 31 мая, учитываем, что солнечная энергия, достигшая земной поверхности на 25% состоит из рассеянного света (в нашем регионе это 0,57575 кВтч/м. кв), а 75% (1,72725 кВтч/м.кв) - прямые солнечные лучи. Используя формулу, высчитываем ФАР: R фар = 0,43 I1 + 0,57 i, где:I1 - прямая солнечная радиация; i - рассеянная радиация. ФАР = 0,43 х 1,72725 + 0,57 х 0,57575; ФАР =1,0708 кВтч/м.кв 3). Сколько энергии необходимо, чтобы нагреть воздух на 1 °С В период, предшествующий массовому распусканию листьев (до 1 июня), на нагревание атмосферного воздуха (тропосферы) шла энергия в размере 15% от тех 47% всей солнечной энергии, достигшей земную поверхность (2,303 кВтч/м.кв х 15% =0,34545 кВтч/м.кв) + неиспользуемая энергия ФАР(неиспользуемая солнечная энергия легко преобразуется в тепловую энергию) [15 ]. Так как леса в Красноярском крае на 85,2% состоят из хвойных пород: 35,2 % приходится на лиственницу, 18,2 % — сосна, 16,9 % — кедр, 11,2 % — береза, 7,8 % — пихта, 7,1 % — ель, 3,6 % относится к прочим древесным породам: черемуха, яблоня, тополь, осина, липа, вяз, клен, и т.д. [18], значит количество неиспользованной ФАР 31 мая составляет 50% (0,5354 кВтч/м.кв.) (50% забирают вечнозеленые хвойные). Таким образом, 0,34545 кВтч/м.кв + 0,5354 кВтч/м.кв = 0,88085 кВтч/м.кв согревало воздух 31 мая на 20 °С, значит на 1 °С идет 0,044 кВтч/м.кв. 4). Согласно гипотезе, массовый запуск фотосинтеза, приводит к заметному снижению температуры воздуха. Сколько же энергии забирает фотосинтез в Зеленогорске? Так как на долю фотосинтеза приходится лишь 2% от общего количества ФАР, но в это время фотосинтезируют хвойные вечнозеленые, забирая половину энергии, значит на фотосинтез распустившимися листьями уходит 1 %ФАР, (0,01 кВтч/м.кв), забирая из атмосферы всего 0,2°С. Дело не в фотосинтезе? У меня появилась своя гипотеза №1: Предположим, что причинной наступления черемуховых холодов является использование «проснувшейся» растительностью 50% ФАР. 50% ФАР (0,5354 кВтч/м.кв.) : 0,044 кВтч/м.кв.( 1 °С) = 12 °С Но…в нашем случае черемуховые холода сопровождаются понижением температуры воздуха на 8-9 °С…? Гипотеза отклонена. 5) Возвращаясь к словам К.А. Тимирязева, который назвал лучи, участвующие в фотосинтезе "похищенными лучами солнца", у меня появилась гипотеза №2. : Если энергию, падающую на лист, принять за 100 %, то около 10 % энергии отражается от листа, 10% солнечных лучей лист пропускает, значит, эти 20% могут также перейти в тепловую энергию и вернуться в атмосферу, только уже теплом, а листьями реально расходуется 80% оставшейся от хвойных ФАР». 80%ФАР (0,42832 кВтч/м.кв) : 0,044 кВтч/м.кв.( 1 °С) = 9 °С !!! Таким образом, использование деревьями 80% (от 50% оставшейся ФАР) на физиологические процессы, сопровождающие запуск фотосинтеза (рост и деление клеток, работа устьиц, газообмен, транспирация и т.д.) и сам процесс фотосинтеза, лишает атмосферу 9°С тепла, тем самым способствуя наступлению похолодания, происходящего в период цветения черемухи, и поэтому получившего названия «черемуховых холодов». Эти расчеты подтверждаются и весной 2011 года: До наступления «черемуховых холодов» 2011 г, т.е. 13 мая общее количество солнечной энергии по г. Красноярску составило 4,4 кВтч/м.кв., из них земной поверхности в виде прямых и рассеянных солнечных лучей достигает 2,08 кВтч/м². ФАР = 0,96749 кВтч/м². Так как на нагревание атмосферного воздуха идет 15% от 47%, достигающей поверхности земли солнечной энергии, это 0,312 кВтч/м² + 50% неиспользуемая энергия ФАР (т.к. 50% забирают вечнозеленые деревья) = 0,795745 кВтч/м². Так как средняя температура воздуха 13 мая составила в среднем 17°С, значит на 1°С идет 0,046 кВтч/м² (как и в предыдущем году). Массовое распускание листьев приводит к запуску фотосинтеза растений и процессам, его сопровождающим. При этом расходуется энергия ФАР в количестве 80%, оставшихся от 50% хвойных (40% ФАР (0,386996 кВтч/м².), которая лишает атмосферу 8,4 °, вызывая «черемуховые холода». 2.4.2. «Бабье лето» 2010, 2011 г. 2010 г. Если следовать гипотезе о влиянии прекращения фотосинтеза и процессов, его сопровождающих на наступление «бабьего лета», значит, повышение температуры воздуха должно быть обусловлено возвращением в атмосферу 40% энергии ФАР в виде тепла (вечнозеленые растения продолжают фотосинтезировать). 40% энергии ФАР 22 сентября (в разгар «бабьего лета» составляет 0,266612 кВтч/м² (т.к. общее количество солнечной энергии – 3,05 кВтч/м², 47% дошедшей до земной поверхности – 1,4335 кВтч/м², ФАР = 25% рассеянной х 0,57 + 75% прямой х 0,43 = 0,666531 кВтч/м²). Так как «бабьему лету» предшествовало понижение температуры воздуха ночью, при которой происходит разрушение молекул хлорофилла, а значит затухание фотосинтеза, то неиспользование 40 % ФАР возвращает в атмосферу 6°С. Реально, в период «бабьего лета» 2010 г. средняя температура воздуха увеличилась на +8°С. Это приводит к мысли о том, что не только прекращение фотосинтеза и процессов, его сопровождающих, вызывает осеннее потепление в виде «бабьего лета». По мнению А. Б. Рубина [23], д.х.н. Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова процесс разрушения хлорофилла есть реакция экзотермическая, то есть с выделением тепла. Химические реакции в десятках миллионов тонн листьев деревьев, кустарников и трав, увядающих в данной конкретной местности, и приводят к повышению температуры воздуха на 1-2 °С. Таким образом, расчеты, объясняющие причину наступления «бабьего лета» привели к возникновению «новой» гипотезы: причиной наступления «бабьего лета» является прекращение фотосинтеза и процессов иго сопровождающих в виде высвобождения 80% ФАР, а также выделение энергии при массовом разрушении молекул хлорофилла, способствуя повышению температуры на 1-2 °С. «Бабье лето» 2011 г. также обусловлено прекращением фотосинтеза и высвобождением энергии химических связей при разрушении молекул хлорофилла. В первое «бабье лето» повышение температуры воздуха в среднем на 4 °С обусловлено частичным разрушением молекул хлорофилла (так как температура воздуха ночью понизилась, но не до критического уровня (0°С) и вызвало пожелтение листьев 1/3 деревьев), следовательно 1/3 часть энергии 40%ФАР стала невостребованной и привела к повышению температуры воздуха на 3 °С, + 0,6 ° С добавилось за счет частичного разрушения молекул хлорофилла. Во второе «бабье лето» повышение температуры на 5,5 °С воздуха можно объяснить высвобождением оставшейся 2/3 части 40% ФАР и высвобождением энергии химических связей (+1,2°С) при разрушении хлорофилла. 2.5. Факты , подтверждающие роль фотосинтеза в исследуемых явлениях 1. Известно, что на 1 г. прироста сух вещества (образующегося в процессе фотосинтеза) лес испаряет около 1 л. воды, следовательно, прекращение фотосинтеза и вегетации осенью приводит к катастрофическому изменению водного баланса биогеоценоза. «Бабье лето» - это нее только тепло, но еще прекращение дождей, устойчивая солнечная погода. [11]. А во время «черемуховых холодов» все наоборот, происходит увеличение количества образования сухого вещества, что приводит к повышению количества воды в атмосфере, отсюда дожди. Из графиков №2,3,4 (см. выше) видно, что в период «черемуховых холодов» 2011 г из 7 дней 5 – дождь, за период до «черемуховых холодов» из 7 дней – 2 дождливых. В период «бабьего лета» 2011 г. за 14 дней двух периодов, только 1 – с дождем. В период, предшествующий наступлению «бабьего лета» дожди – 6 раз за 14 дней. В «бабье лето» 2010 г. также имел место только один дождливый день, тогда как в предшествующий период – 1 раз в два дня. 2. Процесс разрушения хлорофилла есть реакция экзотермическая, то есть с выделением тепла. Химические реакции в десятках миллионов тонн листьев деревьев, кустарников и трав, увядающих в данной конкретной местности, и приводят к повышению температуры воздуха на 1-2 °С. Также известно, что выделяемая энергия поднимается вверх, разгоняет облака и повышает атмосферное давление. таким образом, вызывая антициклон [26] Ход атмосферного давления в период «бабьего лета» 2011 г в г. Зеленогорске приведен на графике №4. (см. выше). |
Похожие:
 | Образовательной программы моу «Лицей №174» г. Зеленогорска на 2011... Образовательная программа начального общего образования мбоу «Лицей №174» на 2011-2015 годы | | Реферат «Я хочу рассказать о…Юрии Борисовиче Левитане». 8-в класс... Проектно – исследовательская работа «Вихрь чувств в романе А. С. Пушкина «Евгений Онегин» |
| Исследовательская работа Автор работы Экспериментальное исследование, направленное на определение оптимального конструктора веб-сайта в школьных условиях | | Список учащихся, рекомендованных на участие в городской научно практической... Тип работы (исследовательский реферат, исследовательская работа, проектно-исследовательская работа) |
| Участие в научно-практической конференции «Путь к успеху» Тема работы, тип работы (исследовательский реферат, проектно–исследовательский работа, исследовательская работа) | | Исследовательская работа «Использование экологически чистых природных... Сборник "Классная работа" -2013/2014. Тертица Ирина Борисовна. — Москва, 2014. — 100 стр., ил |
 | Мку «уо и мп» с 22. 11. по 28. 11. 2013 года Алексей Ляхов (в весовой категории 50 кг), Алексей Самбурских (в весовой категории 63 кг) в упорной борьбе завоевали серебряные медали;... | | Шутова Любовь Николаевна, начальные классы История жизни моей прабабушки... Научно- исследовательская деятельность в моу «Нижнекулойская средняя общеобразовательная школа» |
| Исследовательская работа Математическое искусство Целью данной работы является исследование становления и развития имп-арта, исследование основных приемов создания невозможных фигур,... | | Курсовая работа Исследование проектно-исследовательского метода работы... Государственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) специалистов «Мордовский... |
| Николая Рубцова «Звезда полей» Мир поэзии Николая Рубцова просторен и светел, холодноват и чуть прозрачен – таким обычно бывают дни бабьего лета | | Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская... Научно-исследовательская работа (нир) относится к циклу «Практики и научно-исследовательская работа» магистерской программы «Русский... |
| Формирование исследовательской позиции учащихся на занятиях лингвистического... Доманцевич Ольга Геннадьевна, зам директора по научно-методической работе, моу «Лицей№174» | | Фи ученика Исследовательские работы школьников были представлены следующими жанрами: исследовательский реферат – 2, исследовательская работа... |
| Исследовательская работа Пирсинг. Польза или вред. Галимзянова Гульгена моу «Шеморданский лицей» Многие знаменитости делают себе проколы, при том от простых до невероятно сложных, в некоторых передачах люди устанавливают рекорды... | | Исследовательская работа Автор: Жидких Ксения, 9 «а» класс Паразито-хозяинные отношения членистоногих с наземными позвоночными. – Л.: Наука. 1982. 318 с |
