CC BY
49
УДК 528.9 В.Л. Истомин
ИГиЛ СО РАН, Новосибирск В.К. Хе
НГУ, Новосибирск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ СЕДИМЕНТАЦИИ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЗЁРЕН И ИХ АГЛОМЕРАТОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Опыление - характерное явление в мире растений, позволяющее обмениваться генетической информацией и интегрировать её в семенном потомстве. Различают два типа опыления - самоопыление и перекрёстное. Последнее происходит в том случае, когда перенос пыльцы осуществляется между цветками разных особей. Существуют следующие способы перекрёстного опыления: с помощью насекомых (энтомофилия), птиц (орнитофилия), летучих мышей (хиронтофилия), агентов неживой природы (анемофилия) и воды [1]. Дальность распространения пыльцы анемофильных растений зависит во многом от аэродинамических характеристик пыльцевых зёрен (ПЗ).
Помимо своего главного предназначения - размножения растений, пыльца, будучи одной из наиболее массовых и широко распространённых компонент биоаэрозоля, содержит аллергены и вызывает насморк, конъюктивит и другие проявления поллинозов, провоцирует приступы астмы. Рост числа аллергических заболеваний во второй половине двадцатого века обусловил всплеск интереса к атмосферному переносу пыльцы [2].
В природе пыльца встречается как в виде индивидуальных ПЗ, так и в виде агломератов, состоящих из нескольких ПЗ. Скорость седиментации отдельных ПЗ и их агломератов является одной из главных аэродинамических характеристик, определяющих пространственно-временное изменение концентрации пыльцы в биосфере и эффективность её оседания на опыляемые растения [3-5].
Сведения о скорости седиментации крайне отрывочны. Имеются некоторые данные о седиментации индивидуальных ПЗ [3]. В то же время данные о скорости седиментации агломератов практически отсутствуют. Теоретические расчёты скорости седиментации пока затруднительны. Это связано со сложной формой зёрен и неравномерном распределении массы по объёму в ПЗ. Для мелких не взаимодействующих между собой сферических частиц скорость седиментации определяется по формуле Стокса. Для частиц, близких к сферической форме, в закон Стокса вводятся поправочные коэффициенты [6]. Скорость седиментации спор и пыльцы, как правило, определяется экспериментально.
В настоящем докладе представлены результаты экспериментальных исследований скоростей седиментации ПЗ и их агломератов западносибирских растений.
Нами использовалась установка, разработанная в лаборатории ИГиЛ СО РАН, схематично изображённая на рис. 1.
Экспериментальная установка состоит из двух основных блоков: I -дозирующая система и II - седиментометр.
Дозирующая система является системой импульсного распыления и в свою очередь состоит из ресивера 1, электроконтактного манометра 2 и электроклапана 3, позволяющие создавать газовый импульс необходимых параметров. Дозатор 4 служит для загрузки определённой порции мелкодисперсного вещества.
Седиментометр представляет собой цилиндр 5, разделённый заслонкой 6 на две части. Верхняя представляется приёмником распылённого вещества, поступающего из системы I через сопло 7. с другой стороны она оканчивается фильтродержателем 8 с установленными на металлической сетке фильтрами типа АФА-ХА-18, для выхода воздуха. Кроме того, эта часть содержит вспомогательную заслонку 9.
Нижняя часть цилиндра оканчивается устройствам 10 (рис. 2), содержащее стекло для сбора распылённого вещества. Устройство состоит из неподвижной щелевой диафрагмы 1 с окном 2, имеющим вид сектора. Ниже находится предметное сменное стекло на вращающемся ложе 4, которое зафиксировано стопором 5 относительно храповика 6. Ложе с предметным стеклом может вращаться с переменной скоростью, и имеет от одного до 15 фиксированных положений. Вращение стекла на заданный угол осуществляется храповым устройством 6.
Порция пыльцы распыляется в верхнюю часть установки при закрытой заслонке 6. В приёмной части седиментометра устанавливалась щелевая диафрагма. В опытах смена диафрагмы осуществлялась вручную через каждый фиксированный промежуток времени ^ секунд, начиная с первой по
четырнадцатую. Для каждого вида растений подбирался свой ^. Последняя
диафрагма экспонировалась в течение 1 минуты. Заслонка 6 открывается через 10 с после распыления пыльцы.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Рис.2. Схема храпового механизма
Затем для каждого сектора при 40-кратном увеличении просматривалось около 30 полей зрения для подсчёта количества, как одиночных пыльцевых зерен, так и агломератов. Если в секторе оседали частицы, то скорость их седиментации находится в пределах максимального и минимального возможного значений, то есть от Уі до Уі+і , где і - номер сектора. Исследуемый параметр рассчитывался по соотношению:
от 3 до 14, (1)
V = Н см/с, і 1 *1
где
Іі = ф(1 с
(2)
поскольку участок неравномерного движения значительно меньше длины седиментационного цилиндра. Здесь Н - высота седиментационного цилиндра. Среднеарифметическое значение скорости седиментации, характеризующее частицы, оседающие в пределах выбранного сектора, рассчитывалась по формуле:
и=^
2
(3)
Средняя скорость седиментации И- агломерата, состоящего из у зёрен, рассчитывалась по среднегеометрической формуле:
п * 1п(И
V
ехр
(4)
V V У
где И - среднее арифметическое значение скорости седиментации агломератов из у частиц, оседающих в пределах /-го сектора, иг>. - число агломератов из у частиц, осевших на /-ый сектор.
Нами проведены серии экспериментов по определению скоростей седиментации ПЗ и их агломератов содержащих до 6 частиц следующих растений: Двухкисточник тростниковый, Райграс высокий французский, Пырей ползучий, Пырей средний, Ежа сборная, Овсяница луговая, и до 4 частиц следующих растений: Кострец безостый, Житняк гребенчатый.
Результаты вычислений скоростей седиментации и среднеквадратичные отклонения представлены в табл. 1, 2.
Таблица 1. Экспериментальные результаты определения скоростей седиментации пыльцевых зёрен и их агломератов
п/п Пыльца растений Средняя скорость Vі , см/с
І=1 І=2 І=3 І=4 І=5 І=6
1 Двухкисточник тростниковый 3,2 4,2 5,2 6,1 5,9 6,9
2 Райграс высокий французский 3,6 4,4 4,7 4,9 5,0 5,2
3 Пырей ползучий 4,4 5,5 6,4 8,1 8,6 10,0
4 Пырей средний 5,4 7,3 9,1 12,4 13,4 14,5
5 Ежа сборная 2,8 4,1 5,4 6,7 8,0 9,9
6 Овсяница луговая 3,0 4,1 4,6 5,0 5,3 5,4
7 Кострец безостый 4,2 5,3 6,0 6,6 - -
8 Житняк гребенчатый 3,9 4,8 5,4 5,7 - -
Таблица 2. Среднеквадратичные отклонения от средних значений скоростей
седиментации
п/п Пыльца растений см/с
І=1 І=2 І=3 І=4 І=5 І=6
1 Двухкисточник тростниковый 1,42 1,35 1,34 1,34 1,31 1,35
2 Райграс высокий французский 1,21 1,16 1,12 1,10 1,06 1,06
3 Пырей ползучий 1,40 1,36 1,36 1,30 1,28 1,36
4 Пырей средний 1,48 1,51 1,44 1,37 1,33 1,19
5 Ежа сборная 1,39 1,40 1,38 1,38 1,39 1,31
6 Овсяница луговая 1,45 1,37 1,29 1,25 1,21 1,23
7 Кострец безостый 1,40 1,37 1,27 1,34 - -
8 Житняк гребенчатый 1,33 1,26 1,26 1,23 - -
Анализируя данные табл. 1 и 2, отмечается заметный разброс скоростей седиментации. Причём, с увеличением числа частиц в агломерате видна тенденция к его уменьшению. Наиболее ярко это заметно на примере Райграса высокого.
Скорость оседания агломерата возрастает с увеличением количества составляющих его частиц. В [7] было показано, что скорости седиментации агломератов в зависимости от числа частиц в агломерате хорошо аппроксимируются степенной зависимостью, построенной методом наименьших квадратов. Для исследуемых нами растений полученные данные
можно аппроксимировать эмпирическими зависимостями, предложенные в табл. 3.
Таблица 3. Эмпирические зависимости и коэффициенты корреляции
n/n Пыльца растений Эмпирическая зависимость V j, см/с Коэффициент корреляции
1 Двухкисточник тростниковый 3,2*j0,414 0,991
2 Райграс высокий французский 3 7 *j 0,202 0,983
3 Пырей ползучий 4 2*j0,456 0,986
4 Пырей средний 5,1*j0,584 0,991
5 Ежа сборная ^ ?*j0,687 0,993
6 Овсяница луговая O 1 j0,326 3,1j 0,992
7 Кострец безостый 4 2*j0,328 0,999
8 Житняк гребенчатый 3 9 0,288 0,999
Таким образом, данные табл. 1-3 можно подытожить следующим выводом: полученные средние значения скоростей седиментации агломератов ПЗ в зависимости от числа частиц в агломерате аппроксимируются степенной зависимостью вида:
Vj = a *jk, для 1 < j < 6, (5)
где V - среднее значение скорости седиментации агломерата состоящего
из j частиц, размерные коэффициенты а и показатель степени к находятся из экспериментальных данных для каждого вида растений.
В зависимости от вида растения r - коэффициент корреляции (5) принимает значения в диапазоне 0.983 < r < 0.999, к принимает значения 0.202 < к < 0.687, зафиксированный диапазон V от 2,8 см/с для единичного ПЗ и до 14,5 см/с для агломерата, состоящего из шести ПЗ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пономарев А.Н., Демьянова Е.И. Опыление. Жизнь растений. Т. 5. - М.: Просвещение, 1980. - С. 55 - 80.
2. Rantio-Lehtimaki A. // Aerobiology of Pollen and Pollen Antigens// Bioaerosols Handbook / Editors: Cox C.S., Wathes C.M. / Boca Raton, Florida, Lewis Publishers Inc, 1995, pp. 387 - 406.
3. Грегори Ф. Микробиология атмосферы. - М.: Мир, 1964. - 372 с.
4. Дингл А.Н., Гилл Дж. Ч., Вагнер В.Х., Хьюсон Е.В. Эмиссия, рассеяние и оседание пыльцы амброзии // Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. - М.: ИЛ, 1962. - С. 405427.
5. Aylor D.E. The role of intermitted wind in the dispersal of fingal pathogens. // Ann. Rev. Phytopol. - 1990. - Vol. 28. - P. 78 -92.
6. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. - М.: Мир, 1976. - 630 с.
7. Истомин В.Л., Куценогий К.П., Головко В.В. Определение скорости седиментации пыльцевых зёрен берёзы, осины и их агломератов. // Теплофизика и аэромеханика - 2004, т. 11, № 4, С. 1 - 11.
© В.Л. Истомин, В.К. Хе, 2005
