12.15 Зоны холодного климата

ФЕНОМЕНЫ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА

Значительная энергия требуется для создания снега, града и льда, и в природе есть определенные методики для очень холодных регионов, которые позволяют использовать все характеристики феноменов холода, например:

• Альбедо (коэффициент отражения от поверхности) снега как устройство обогрева;

• Эффективность снега в качестве материала для изоляции домов;

• Сохранение льда для хранилищ, охлаждение продуктов питания летом;

• Использование ледового покрова на прудах для доступа к более глубоким участкам в зимнее время года;

• Влияние льда на деревья вдоль рек с талыми водами; перехват сплавляемой древесины; и

• Стратификация семян культур для холодных регионов за счет замораживания.

В свою очередь также есть целый ряд мер предосторожности от холода, в частности:

• Изоляция труб и прокладка трубопроводов ниже уровней промерзания почвы;

• Скважины с изоляцией, предпочтительно при помощи строительных тканей;

• Строительство крыш и крутые скаты крыш для регионов с обильным выпадением снега;

• Общее проектирование домов для экстремальных холодов, в особенности в плане сохранения тепла и изоляции;

• Особые методики ведения сельского хозяйства (вспучивание голого грунта при замерзании) и выращивание культур в соседствующих рядом с домами оранжереях;

• Хранение воды для летних садов в земляных запрудах; и

• Необходимость избегать лавиноопасных участков.

УПРАВЛЕНИЕ ДИКОЙ ФЛОРОЙ И ФАУНОЙ

A. Древесная крыса; искусственное укрытие служит складом для дикого риса;

B. Безопасное гнездо цесарки в ящике на сваях в озерах.

C. Колонии летучих мышей в укрытиях дают много удобрений для прудов или садовых угодий, а также позволяют контролировать численность насекомых.

D. Общие гнезда голубой ласточки дают фосфаты и прочие удобрения для сельскохозяйственных культура, а сами птицы эффективно борются с комарами (Йорг Шульц).

В нашем распоряжении есть очень большое количество публикаций о тепле, но о холоде написано очень мало, поэтому, хоть мы и знаем, что спирт можно перегонять путем нагрева или охлаждения смесей воды/спирта, зачастую используется только первый метод. Замораживание концентрирует сахара (кленовый сахар), спирт и растворы соли так же эффективно, как и нагрев позволяет выделить воду или спирт из растворов. Если в открытых лотках с кленовым сахаром регулярно (каждый день) удалять верхнюю кромку льда, вскоре у вас останется только концентрат сахара. Соли в воде и спирт в бродящих продуктах можно концентрировать точно так же.

Вспучивание земли во время замерзания на голых, частично поврежденных или открытых участках почвы позволяет создать (в период оттепели) идеальные условия для произрастания семян клевера и прочих покрывных семян. Этот феномен отмечается только на голой почве и именно голая почва более всего нуждается в таких семенах для стабилизации потенциала эрозии почвы. Промерзшие участки земли, которые поздно покрываются снегом создают идеальные условия для равномерного распределения помета поздней зимой, чтобы во время оттепели семена и удобрения на поверхности почвы быстро обеспечили весенний рост. Для того, чтобы было видно, где в снегу были размещены семена или помет, можно распределять их вместе с древесными опилками.

Осенью дикие животные запасают желуди, фундук и орехи гикори для последующей зимовки. Полевые и древесные крысы собирают менее крупные семена, например, семена дикого риса на болотах. При наличии мест для хранения эти сборщики заполнят своими запасами пустые трубы или бревна, или менее крупные трубы, коллекторы старых автомобильных двигателей и пустоты в домиках для птиц или стенах. Собранные таким образом зерна здоровые, чистые и хранятся правильным образом. Если оставлять порядка 15% таких сборов для самих работников, 85% запасов можно использовать для нужд человека. Есть люди, которые таким же образом собирают орехи гикори или семена дикого риса на своих участках, предоставляя белкам или древесным крысам подготовленные хранилища. Это вопрос сотрудничества и обеспечения других видов, а не попытка убить экспертов и пытаться выполнять работу самостоятельно. Собранные таким образом зерна и орехи хранятся в хлевах или домиках животных в корзинах и используются в качестве корма для домашней птицы и приготовления пищевых концентратов для прочих животных на протяжении всей зимы.

Как только снег начнет таять и открывать покров леса, успешно переждавшие зиму желуди начинают пускать корни. В это время (ранняя весна) можно выпускать свиней, домашнюю птицу, овец и скот для сбора подобного корма. Питательная ценность проросших семян в 10-100 раз выше, чем у непророщенных (в плане содержания витаминов и сахаров).

В зимнем лесу кучи веток и свободные насыпи листьев для компоста становятся убежищем для небольших животных и рептилий. Такие укрытия и навалы камней обеспечивают достаточную защиту для дикой флоры и фауны, служат ограждением посадок от доступа оленей и сокращают вероятность лесных пожаров.

Рисунок таяния снега показывает изолированные, хорошо абсорбирующие воду, отражающие свет и генерирующие тепло окружения или поверхности. Черные объекты, сажа и листья тонут в снеге. Снег очень быстро тает перед голыми березами с белыми стеблями на расстоянии порядка 4 метров от их ствола. Каменные стены перед березами позволяют сформировать площадки раннего тепла для выращивания овощей. Китайцы для достижения такого роста и увеличения сезона роста используют порубленный бамбук и соломенные навесы (рисунок 12.23). Теневая сторона таких укрытий накапливает снег для изоляции.

Закрытые каменные стены образуют участки очень раннего тепла, равно как и разрезанные наполовину покрышки, которые обращены к низко стоящему солнцу. Такая боковая защита стен может быть выполнена из пластика или покрыта травой для дополнительного удержания тепла. Кучи покрышек можно накрывать стеклом, чтобы они становились миниатюрными ямками для роста растительности, особенно если заполнить покрышки землей или водой для удержания дневного тепла. Многие садоводы ранней весной используют стеклянные переносные укрытия или закрывают отдельные растения стеклянными или пластиковыми кувшинами без дна.

Пруды вскрываются ото льда как раз тогда, когда сад начинает требовать воды для полива. Пока пруды все еще стоят подо льдом, на их поверхности можно разложить связки веток для защиты рыб или же разложить якоря, которые впоследствии утонут как швартовы. Черные, покрытые травой трубы или покрышки позволяют всегда сохранять открытые проруби для ловли рыбы. Для достижения такого же результата можно использовать плавучие оранжереи, которые выступают в качестве будок для рыболовов. Такие оранжереи по весне оттаскивают к берегу или используют в течение лета для выращивания на мелководье субтропических водных растений.

Лед, который замораживается внутри изолированных ящиков в течение зимы и не лежит на земле, в тенистых участках может сохраняться на протяжении всех летних месяцев и использоваться летом как холодильник. Крышки из толстого слоя соломы или древесных опилок позволяют сохранять лед под землей в течение всего лета. Неизолированные ямы со льдом, в которые укладывали зимний снег, а затем покрывали землей, использовались для охлаждения напитков в таком климате еще до 1830 года и до пришествия эры механических холодильников или холодильников с испарителями.

ЛЕД

Глубина является критическим фактором в холодных водах, в особенности в прудах со стоячей водой. Если пруд замерзает на 15-90 см (6-36 дюймов), этот слой воды зимой будет недоступен для бытового использования. Получается, если в засушливых регионах нужно рассчитывать глубину хранилища с учетом эффекта испарения, в холодном климате обязательно нужно учитывать тот объем воды, который будет "потерян" в результате замерзания зимой. Замерзание приводит к расширению воды, поэтому, чтобы хранилище могло справиться с таким расширением льда, его нужно заполнять не до конца, размещать на склоне или не накрывать ничем его поверхность.

Подобным же образом, все трубы должны быть зарыты на глубину 1 метра, чтобы их не разорвало от замерзания, или же через них должна постоянно литься вода со скоростью 450 литров в день. В случае бытового использования нет ничего лучше, как организовать хранение воды в пределах подвала дома в качестве скважины или цистерны ниже уровня пола. То же самое можно сделать для хранения воды в хлеву. В оранжереях и домах эта вода может использоваться как очень эффективный накопитель тепла. Лед может вызывать уплотнение почвы под своим весом. Вес, пожалуй, является главным отличием снега ото льда, который накапливается из замершей воды.

Лед, как стекло и вода, является прозрачной отражательной средой, которая подходит для строительства линз, поэтому в очень холодных регионах можно строить очень дешевые ледяные линзы в качестве концентраторов солнечного тепла. Ледяные линзы, которые образуются при заливке воды в формы, могут быть очень дешевыми и могут использоваться для фокусирования прямого тепла на хранилища или агрегаты во время светового дня. Компоненты сложных линз можно склеивать водой (Рисунок 12.25).

Поскольку вы можете создать лед любой формы, в которую можно залить воду, и в эту форму можно также сразу установить штанги или волокна, вы можете изготовить целый ряд полезных предметов изо льда или же замораживать воду вокруг осей, чтобы ее можно было буксировать к летним хранилищам как тележку изо льда (Рисунок 12.26).

Снег является очень удобной формой осадков, так как в рамках ландшафта он обладает более длительным сроком службы, чем туман или дождь, что упрощает его хранение. В утрамбованном виде блок снега может пережить несколько сезонов. В качестве полутвердого материала снег можно собирать и закидывать на ограждения и барьеры из растений. Это могут быть заборы или живые изгороди или и те, и другие попеременно. Разные варианты сбора снега становятся очевидными, если посмотреть на то, как деревья запасают снег. Часть снега сохраняется в виде листов, а часть как глыбы или сугробы. Таким образом, выпавший снег можно перемещать в кучи для весеннего таяния с формированием таких хранилищ, как топи или цистерны.

Когда идет снег, на улице холодно, но снег обладает хорошими изолирующими и отражающими качествами, таким образом, формирование земли вокруг элементов ландшафта или жилищ или наличие сугробов могут приводить к образованию отраженного тепла высокой интенсивности (на всех ландшафтах с высокой интенсивностью отражения требуется использовать солнцезащитные очки: это в равной степени касается белых пляжей, кварцитов, спокойной воды, сенокосов и полей, покрытых снегом).

Равно как мы можем создавать амфитеатры, цирки, арены и тарелки для фокусировки света, мы можем строить земляные сооружения, которые будут покрываться снегом для концентрации зимнего тепла. Летом такие поверхности лучше всего выкладывать белым гравием, песком или глиной, но зимой лучшим материалом будет снег. Таким образом, дома, построенные в земляных отражателях, или дома, которые сами являются отражателями, могут использовать снег для накопления тепла и изоляции (Рисунок 12.27).

Отраженный и концентрированный свет, даже если он присутствует только в течение незначительных промежутков времени, дает интенсивное тепло, которое можно использовать для нагрева воды, плавления металла, подогрева земли паром или накопления тепла в соли.

СНЕГ

Любопытно, но снег является практически "черным телом" для излучения и очень быстро теряет тепло при излучении от 0,986 до 0,962 (грязный снег). Таким образом, снег очень быстро остывает в ночное время и тонкое покрытие из снега может охлаждать почву до 35 градусов Цельсия ниже температуры воздуха. Снег толщиной более 15 см, впрочем, выступает в качестве изолятора для почв, зданий и вечной мерзлоты. Что касается коэффициента отражения или альбедо (20% для грязного талого снега, близко к 100% для свежевыпавшего сухого снега), снег наиболее эффективен при низких углах солнца на рассвете, вечером и в зимнее время года. Излучение (свет) проникает в снег на глубину 10-15 см, при этом большая его часть поглощается водой в снежной массе, но в пустых кристаллах льда изморози и в сухом снеге свет может проходить на глубину 30-60 см. Почти 30% уходящего излучения идет в виде тепла (продолжительная длина волны), но снег сам по себе полностью непрозрачен для поступающего длинноволнового излучения и таяние чаще всего начинается снизу под действием тепла земли (почвы). Именно такое таяние снега снизу вызывает плохое сцепление снежных масс, что может привести к оползанию снега на склоне или лавине.

ЛАВИНЫ И НЕУСТОЙЧИВОСТЬ СНЕГА

На склонах под углом более 6 градусов и в долинах крутого предгорья, где снег скапливается до глубины 15 см или более, существует риск схождения лавины. Снег начинает оползать вниз, когда наст повреждается сильными ветрами (более 13-18 км/с), после внезапного похолодания начинается оттепель, теплый ветер вызывает таяние снега или происходит обычная весенняя оттепель. Насыщение более глубоких неустойчивых слоев снега талой водой над слоями изморози или льда и промороженной земли ослабляет всю массу снега, и он начинает оползать вниз. В это критическое нестабильное время выстрел из ружья, падение снежного карниза (навеса) или сильный ветер могут вызвать схождение снега со склона. Лавину также могут вызвать лыжники, антилопы или кролики.

Лавины набирают силу и приводят в движение самые разные материалы типа снега, грязи, больших камней с глиной и разной растительности. В то же время основной урон лесам, сельскохозяйственным угодьям и зданиям доставляет не сама масса сходящей лавины, а идущая перед всей этой массой волна воздуха под высоким давлением (иногда такая волна может достигать даже противоположного склона). Как правило, лавины легко разрушают дороги, общественные коммуникации, отрезают возможность доставки топлива или помощи в регион. Как и прочие катастрофические феномены, территории, которые находятся в лавиноопасных регионах, зачастую отмечаются на картах, а власти предупреждают о вероятности схода лавины местное население. Лавинные желоба часто можно определить по молодым тополям, которые первыми начинают расти после предыдущего схода снега.

ЗАМЕРЗШАЯ ЗОНА

ДОСТУПНАЯ ЗИМОЙ ВОДА

РИСУНОК 12.24

РАСШИРЕНИЕ ЛЬДА В ВОДОХРАНИЛИЩЕ.

Боковые стенки водохранилища должны быть под углом, чтобы лед мог спокойно расширяться; доступный объем следует оценивать по глубине воды, которая не промерзает в течение зимы.

ЛЕДЯНАЯ ЛИНЗА

ФОКУСНАЯ ТОЧКА

ФОРМА ИЗО ЛЬДА

РИСУНОК 12.25

ЛЕДЯНЫЕ ЛИНЗЫ.

Вы можете заливать лед в формах для разных целей. В данном примере лед используется как фокусировочная линза.

РИСУНОК 12.26

ЛЕД БУКСИРУЕТСЯ КАК ТЕЛЕЖКА.

Отлитый в формы лед можно очень легко переместить в холодные хранилища.

РИСУНОК 12.27

СНЕГ КАК ОТРАЖАТЕЛЬ ДЛЯ ОБОГРЕВА ДОМОВ.

Низкие лучи солнца, которые отражаются от снежной поверхности, могут давать стенам зданий до 60-70% больше тепла.

СТЕНА ТРОМБА

СНЕГ И БЕЛЫЙ ГРАВИЙ

Лучшей защитой является профилактика, которая представляет собой набор стратегий от сохранения лесов на верхних участках склонов, прокладки важных инженерных коммуникаций в тоннелях, возведение V-образных барьеров для разрушения фронта лавины и профилактики схождения лавин в особо опасных регионах. Еще одна угроза кроется в гибели лесов на крутых склонах от воздействия кислотных дождей. В общем, поперечные террасы, стены и барьеры оказались неэффективными средствами в борьбе со сходом лавин, но снежные барьеры на плато выше склона могут эффективно удерживать снег над склоном и, таким образом, снижать общую нагрузку.

Большая часть приведенных здесь данных взята из публикации G.M. Kuaeva (1975) Physical Properties of Snow Cover of the Greater Caucases в переводе USDA.

Снег, как и песок, может перемещаться в нескольких разных режимах:

• МИКРОПОЛЗУЧЕСТЬ, под действием циклического замерзания/оттаивания и силы тяжести снег каждый день сползает вниз на несколько сантиметров.

• СДВИГ толстых снежных масс (СНЕЖНЫ ПЛИТ) может достигать нескольких метров в день.

• СНЕЖНАЯ ОСЫПЬ со скалистых высокогорий как речной поток,

• СНЕЖНЫЕ ТЕЛА двигаются единой массой на коротких склонах.

• СПОЛЗАНИЕ СНЕГА происходит со скоростью 4-5 м/с и может быть остановлено при помощи террас.

• ЛАВИНЫ снега могут наращивать скорость до 6,5 метров в секунду на длинных склонах. Их магнитуда может быть очень значительной, но, как правило, они носят ЭПИЗОДИЧЕСКИЙ характер (случаются каждые 35 лет). СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ лавины – это лавины, которые сходят каждый год, но такие являются редкостью. Более длительные периоды редкого выпадения сильного снега могут вызывать ПЕРИОДИЧЕСКИЕ или редкие лавины.

Деревья являются полезными индикаторами лавин и селей. Наличие на склоне слабых деревьев без нижних веток или растительности у земли, голые "шлейфы" (классы разного возраста или виды-первопроходцы) тополей полосами вниз по склону и торчащие верхушки леса на фронте лавины – все это четкие признаки былой нестабильности в долине. Схождение камней может приводить к подобным же последствиям, которые будут заметны как минимум в течение 20-30 лет в хвойных лесах.

Как слой растений на поверхности земли в пустыне или тундры, образующийся под воздействием лучей солнца наст на снеге позволяет повысить устойчивость склона. Но это лишь временная сезонная защита, которая разрушается при обледенении верхнего слоя снега или при разрушении наста ветром. Восемьдесят процентов всех снежных лавин происходят тогда, когда слои старого, утрамбованного или сухого снега смещаются под действием конденсации влаги и дождей при влажности воздуха более 70%. Остальные лавины происходят из-за сильных порывов ветра или в результате смазывания массы снега талой водой в периоды оттепели (как правило, промежуток с 12 до 3 часов дня при ясной погоде). Неожиданное выпадение 50-69 см. снега с последующими длительными периодами ясной погоды также могут снижать устойчивость снега.

В то время как удар снежной массы по силе равен 4-54 тоннам на квадратный метр, в зависимости от общей массы и переносимой нагрузки, удар сжатым воздухом на фронте массы может двигаться со скорость 330 м/с. Это приводит к очень сильной ударной волне. Даже лавины из снежной пыли создают волны до 10-100 м/с и развивают давление до 35 атмосфер, чего уже достаточно для опрокидывания деревьев и домов.

ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА.

Вечная мерзлота (постоянно замерзшая земля) занимает 47-50% территории Канады, России и Гренландии. Торфянистые поверхности, которые характерны для всех зон вечной мерзлоты, предотвращают таяние и быстро принимают холод, что позволяет сохранять устойчивость промерзших участков. Слои торфа можно разрушить или удалить путем расчистки территории, выжигания или чрезмерного выпаса скота с дополнительной протиркой почвы частицами льда (при 40 градусах Цельсия частицы льда становятся такими же твердыми, как и песок, и их можно использовать для абразивной очистки). После этого может резко начаться оттепель с образованием голых участков глинистой почвы (моллисолей), и такие оттаявшие участки за несколько лет могут достигать глубины 2-45 метров. Влияние эрозии (плюс 9 об. % потери льда) может быть очень существенным, что и привело к уничтожению большинства пастбищ в Гренландии.

Большая часть вечной мерзлоты состоит из окаменелостей, которая временами достигает 400 м в толщину, поэтому таяние под торфом протекает очень медленно; тепло земли снизу сокращает толщину слоя только на 1 см. в год. В таких суровых регионах почвы формируются только в результате раскалывания камней под действием предельно низких температур, а почва отсортировывается от камней за счет действия льда и оттепелей (солифлюкция). При удалении торфа вызванные солнечными лучами оттепели обычно до 5 000 раз более эффективны, чем выработка тепла земли.

Лессовые отложения (принесенные ветром грунты) на 50-80% состоят из кремния, на 20-25% из полевого шпата и содержат очень мало кальция. Лессовые поля глубоких слоев почв (некоторые из них встречаются у подножия холмов) достаточно часто встречаются по всей Европе, России, Китае и рядом с континентальными ледниками. Они поддерживают идеальные леса, но очень быстро высыхают и отличаются высокой пористостью. Лессовые отложения устойчивы как крутые стены до 300 метров в высоту. Именно поэтому такие отложения часто используются для подземного строительства в Китае, и этой практике уже много тысяч лет.

ВЫПАС СКОТА В ХОЛОДНЫХ ЗОНАХ

Где, как в Исландии, проникновение морозов на глубину 1,2 метра на пастбищах и почве является обычным явлением, через каждые 50 метров нужно прокапывать открытые рвы для отведения из заболоченной местности талых вод после весенней оттепели, так как трубчатые дрены остаются в почве замерзшими до поздней весны. Овцы, крупный скот и лошади содержатся в хлевах и питаются сеном на протяжении 6 месяцев в году. На высокогорных пастбищах они выпасаются в течение 3 или более месяцев, а на низменных (иногда улучшенных) пастбищах – в течение 3 месяцев. Для минимизации последствий поднятия грунта при промерзании на участках, которые подвержены эрозии открытого грунта, необходимо использовать выравнивание почвы, повторную одерновку или давать участку отдых от выпасов. Чтобы полностью контролировать содержание в почве червей-паразитов (гельминтов), требуется разводить разные виды скота и прибегать к регулярной ротации выпасов. Посадки кормовой капусты, плевела, ячменя или ржи можно использовать в качестве корма для скота, силоса или для заготовки запасов сена на зиму. Необходимо постоянно контролировать дефицит кобальта и селена у овец, а также повышать содержание кальция, меди и фосфора на пастбищах. На таких выгонах в северных регионах очень редко занимаются выращиванием кустов и деревьев в качестве веточного корма, хотя ивы и карликовые березы вполне могли бы справиться с этой задачей.

Спрос на топливную древесину в таких регионах, как и в прочих климатических условиях, привел к сокращению покрова лесов до 5% их изначального объема, а чрезмерные выпасы скота уничтожили до 50% от общего растительного разнообразия, особенно на весьма чувствительных высокогорных почвах. Исторически на таких более облесенных и менее "улучшенных" высокогорных пастбищах люди добивались более активного роста животных, но чрезмерные выпасы скота привели к эрозии почв и теперь в качестве альтернативы рассматривается возможность выпаса животных на менее изобилующих низменностях. В очень холодных регионах менее чем 1% общей площади земель находятся под посадками сельскохозяйственных культур, что приводит к существенному повышению значимости скота, морских или лесных продуктов.

В песчаных холодных пустынях тимьян, Festuca, лишайник, карликовая береза (Betula nana), Rhacomitrium являются типичными видами, которые произрастают на возвышенных пастбищах; Alopecurus, Phleum и Poa Pratensis (леерсия виргинская) часто встречаются на лугах, а осоки (Carex) и пушица – на болотах. Поскольку болота осушаются и освободившиеся участки земли удобряются, травы начинают доминировать над видами кустов и туссока, что также приводит к увеличению численности паразитов.

На землях, которые подверглись чрезмерным выпасам скота, активно развиваются гравийные пустоши. До настоящего времени очень мало людей серьезно рассматривало высокоэнергетический веточный корм с дубов или ветвей таких запасающих сахар видов, как клен пенсильванский. Кажется, что вырубка лесов и сокращение количества пастбищ приводят к тому же спектру "ограничивающих факторов", которые встречаются во всех регионах, где численность скота и вырубка лесов приводят к увеличению уровня заболеваний, что вкупе с нехваткой укрытий может привести к снижению веса на 16-30%.

Исландия стоит перед тем же комплексом проблем, что и более теплые регионы, и вынуждена бороться с уничтожением лесов, обилием паразитов для овец на низменных или удобренных пастбищах, а также с нехваткой укрытий и дающих питательные плоды деревьев с глубокими корнями. Хотя ни по одному из трех следовых элементов (медь, кобальт, селен) не было выявлено существенного дефицита, серьезное заражение паразитами болот и пастбищ действительно приводит к снижению содержания минералов в костях, а у овец, которые выпасаются на низменных участках в Норвегии, практически в десять раз больше нематодов, чем у их более высокогорных собратьев. Много азотных удобрений добавляют только на низменностях, и именно там впоследствии сталкиваются с нехваткой высокоэнергетического питания улучшенных видов для пастбищ.

Исландия, очевидно, нуждается в инновационном лесном хозяйстве вкупе с серьезной попыткой сократить выпасы скота на разрушающихся почвах. Переход к лесоводству представляется столь долгожданным вариантом для фермеров.