Inwersja termiczna
Istnieje wiele metod ochrony roślin sadowniczych przed przymrozkami, większość wiąże się z nakładami finansowymi, a skuteczność ich zależy przede wszystkim od przebiegu pogody. Jedną z takich metod jest „mieszanie powietrza” za pomocą specjalnych urządzeń pozwalających na wymuszenie ruchu powietrza.
Metoda ta jest bardzo skuteczna przy występowaniu zjawiska tzw. inwersji, kiedy to nad zimnym powietrzem przy gruncie wyżej zalega warstwa cieplejszego. Poprzez mechaniczne mieszanie powietrza można uchronić rośliny przed przymrozkami, oczywiście tylko wtedy, gdy istnieje możliwość wymieszania zimnego powietrza z cieplejszym (rys. 1). Wzrost temperatury, na który możemy liczyć, można szacować na około 50% różnicy pomiędzy temperaturą przy gruncie, a temperaturą na wysokości 20 m. Przykładowo, gdy przy gruncie temperatura spadnie do –4°C, a na wysokości 20 m równa jest 3°C, to za pomocą wymieszania ciepłego powietrza z zimnym możemy liczyć że temperatura w sadzie wzrośnie o około 3,5°C. Oznacza to, że przy gruncie temperatura może być jeszcze ujemna, ale nie spowoduje już znaczących uszkodzeń kwiatów lub zawiązków owoców. Skuteczność tej metody wynika więc wprost proporcjonalnie z bilansu cieplnego i, jeśli nad powierzchnią gleby zalega gruba warstwa zimnego powietrza, metoda ta jest całkowicie nieefektywna.
Rys. 1. Zasada działania maszyny wiatrowej
Zjawisko inwersji występuje powszechnie w USA. W stanie Waszyngton w okresie występowania przymrozków ciepłe masy powietrza zalegają już na wysokości 15 m, na Florydzie jest to 12–15 m nad poziomem gruntu. W praktyce, gdy ciepłe powietrze zalega powyżej wysokości 20 m, maszyny wiatrowe — ze względu na wysokość masztu od 11 m do 12 m — nie mają już możliwości „ściągnąć” go ku ziemi. W takim przypadku niektórzy farmerzy wykorzystują helikoptery, którymi można mieszać powietrze aż do wysokości 60 m. Za pomocą jednego śmigłowca można chronić do 20 hektarów sadu. Nawet na warunki amerykańskie jest to jednak metoda bardzo droga i, jak podaje literatura, niebezpieczna.
Mieszanie powietrza
Pierwszy raz wentylatory zastosowano do ochrony roślin przed przymrozkami w Kalifornii już w latach dwudziestych ubiegłego wieku. Dopiero jednak pod koniec lat czterdziestych (po dopracowaniu konstrukcji urządzeń oraz wykazaniu ich efektywności) tzw. maszyny wiatrowe zaczęto powszechnie montować w sadach zagrożonych przymrozkami. Dzisiaj szacuje się, że w samym tylko stanie Waszyngton maszyny te chronią sady i winnice na ponad
60 000 ha. Jako skuteczna ochrona roślin przed przymrozkami wykorzystywane są również w Ameryce Południowej, Australii, Nowej Zelandii, Niemczech, Francji, a także Japonii i Korei.
W praktyce używane są urządzenia o znacznie różniącej się konstrukcji.
W Japonii i Korei, gdzie sady mają bardzo małą powierzchnię (zazwyczaj do 1 ha), stosowane są wentylatory o niewielkich rozmiarach i małej mocy (fot. 1). Zależnie od wielkości sadu, na jego powierzchni rozmieszcza się po kilka wentylatorów w odległości 30–40 m od siebie. W USA, gdzie sady mają znacznie większe powierzchnie, używa się maszyn wiatrowych o bardzo dużych rozmiarach i mocy. Na mniej więcej 11-metrowym maszcie umieszczone jest śmigło (jedno lub dwa) o średnicy 5–6 m.
Fot. 1. Mały wentylator używany w japońskich sadach
Także w Polsce w latach osiemdziesiątych XX w. prowadzono w SZD Brzezna i Sadzie Doświadczalnym Przybroda próby nad wykorzystaniem maszyn wiatrowych do ochrony roślin przed przymrozkami. Urządzenia tam wykorzystane były znacznie niższe (6,5 m) od tych stosowanych w USA. Uzyskane wtedy wyniki nie były zadowalające. Na podstawie rezultatów doświadczeń prowadzonych w SZD w Brzeznej stwierdzono po użyciu maszyny wzrost temperatury zaledwie o 0,5–0,8°C. Powodem tego był brak inwersji i zbyt niski maszt maszyny wiatrowej. Na zachodzie i w centrum Polski masy zimnego powietrza mogą mieć miąższość od kilkudziesięciu do nawet kilkuset metrów. Potwierdziły to badania profesora Hołubowicza, który stwierdził, że podczas przymrozku w Przybrodzie warstwa zimnego powietrza miała miąższość ponad 40 m. Wyniki te nie oznaczają jednak całkowitego zaprzestania stosowania w Polsce maszyn wiatrowych do ochrony sadów przed przymrozkami. W wielu rejonach w czasie występowania przymrozków inwersja występuje i mieszanie zimnego powietrza z ciepłym powinno dać spodziewane efekty. Wentylator może być szczególnie przydatny w sadzie rozmieszczonym w tzw. zastoisku mrozowym — gdzie zimne powietrze zalega w sadzie. Bardzo często obserwujemy zjawisko przemarznięcia kwiatów tylko do wysokości około 2 m. Na wyższych pędach uszkodzenia są dużo mniejsze. Oznacza to, że wyżej było znacznie cieplej. W warstwie przygruntowej mogą występować stosunkowo duże różnice temperatury — nawet do 0,5–1°C na metr wysokości.
O skuteczności działania maszyny wiatrowej w naszych warunkach przekonał się Jerzy Wilczewski z Białous w północno-wschodniej Polsce, który sprowadził oryginalne urządzenie z USA. To właśnie ta maszyna była pierwowzorem dla krajowej konstrukcji, która powstała dzięki współpracy białostockiej firmy SaMASZ oraz Przemysłowego Instytutu Maszyn Rolniczych z Poznania. Po wstępnych rozmowach i konsultacjach technicznych podpisano w lutym 2005 roku umowę o wykonanie tego projektu. W czerwcu 2005 r. ustawiono prototyp maszyny wiatrowej w gospodarstwie ogrodniczym Jana Skibickiego koło Białegostoku (czyt. HO 12/06). Zainstalowana tam maszyna ma wysokość około 15 m, wyposażona jest w wentylator o średnicy łopat 5,9 m, napędzana silnikiem SWT11/301/2 Jelcz o mocy maksymalnej 200 kW. Według informacji producenta, urządzenie oddziałuje na środowisko w promieniu do 200 m. Po wykonaniu urządzenia przeprowadzono badania eksploatacyjne, analizę zagrożeń i optymalizację jego pracy w świetle wymagań stawianych przez dyrektywy Unii Europejskiej.
Wiosną 2006 roku nie było przymrozków, nie udało się więc wykazać praktycznej efektywności urządzenia w sadzie. Z punktu widzenia interesu sadowników najlepiej, żeby przymrozki w ogóle nie występowały, jednak doświadczenie pokazuje, że są często przyczyną poważnych strat, a maszyna wiatrowa może je ograniczyć — oczywiście, jeśli nad chłodnym powietrzem będzie zalegała warstwa cieplejszego.
Wentylatory ssąco-tłoczące
W latach 1988 i 1989 w Ameryce Południowej (zwłaszcza w Urugwaju) wystąpiły bardzo dotkliwe przymrozki.
W celu ochrony plantacji roślin cytrusowych przed działaniem przymrozków wiosennych na początku lat dziewięćdziesiątych, firma Milargo SA zajmująca się uprawą i eksportem cytrusów podpisała kontrakt z Instytutem Mechaniki Płynów i Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Republiki Urugwaju. Badania prowadzone pod kierunkiem dr. Rafaela Guarga zostały zakończone opracowaniem nowej metody ochrony nazwanej SIS (Selected Inverted Sump). W tym systemie zimne powietrze przepompowuje się poza teren uprawy roślin za pomocą wentylatorów ssąco-tłoczących o pionowym ustawieniu osi obrotu (rys. 2).
Rys. 2. Zasada działania wentylatora w systemie SIS
Fot. 2. Wentylator zamontowany w gospodarstwie Jana Skibickiego
Wentylatory te zasysają w pierwszej kolejności zimne (ciężkie) powietrze zalegające bezpośrednio nad powierzchnią gleby. Powietrze to zostaje wyniesione poprzez dodatkowo zainstalowany „komin” w obszar powietrza cieplejszego zalegającego wyżej. Dzięki wypompowywaniu zalegających mas zimnego powietrza następuje zejście cieplejszego powietrza w pobliże powierzchni gleby. Dokładne pomiary temperatury wykazują podniesienie się jej od 2°C do 3°C. Jak dowiodły badania prowadzone w Urugwaju i USA, wentylatory SIS można wykorzystywać zarówno w zastoiskach mrozowych, jak też na terenie płaskim. W 1992 roku wentylatory typu SIS zostały opatentowane w USA, Ameryce Południowej i niektórych krajach europejskich. Metodą tą zainteresowali się także polscy sadownicy. Wiosną 2002 r. próby z takimi wentylatorami przeprowadzono w Kośminie koło Grójca na plantacji czarnej porzeczki należącej do Tadeusza Maliszewskiego. Pomiary wykazały, że w godzinach porannych temperatura powietrza mierzona na wysokości 6 m była często wyższa o mniej więcej 1–1,5°C od temperatury mierzonej przy gruncie — stwierdzono więc występowanie inwersji. Na tej samej plantacji przeprowadzono także kilkakrotne próby wentylatorów (wykonanych przez właściciela plantacji). W promieniu około 100 m od wentylatora temperatura podnosiła się o mniej więcej 1,5°C. W tym rejonie w okresie kwitnienia czarnej porzeczki nie wystąpiły jednak przymrozki i nie można było ocenić biologicznej skuteczności tej metody. Udało się to Jackowi Molskiemu z Żanecina koło Sokołowa Podlaskiego, który dzięki prowizorycznie zbudowanym 4 wentylatorom typu SIS, ochronił wiosną 2004 roku 8 ha sadu czereśniowego. Należy jednak pamiętać, że ten sposób zabezpieczania roślin może być skuteczny tylko przy niewielkich obniżeniach temperatury, pod warunkiem występowania inwersji termicznej.
