Теплофизика зимовки пчелиной семьи

Из законов физики следует, что чем больше размеры зимнего клуба (то есть чем больше в нём пчёлок), тем проще сохранять в нём тепло. Ведь площадь его поверхности пропорциональна квадрату диаметра клуба, а объём пропорционален кубу. Это значит, что чем больше размер зимнего клуба, тем меньше тепловых потерь приходится на каждую отдельную пчёлку, а значит, и меньше забот по поддержанию необходимой температуры. К чему это приводит?

1. Слабая семейка, да ещё и зимующая в тонкостенном улье, в сильные морозы может просто-напросто не справиться с холодом и замёрзнуть даже при наличии больших медовых запасов.

2. В ядре большого по объёму клуба поддерживается стабильная температура в районе плюс восемнадцати градусов (но не ниже плюс четырнадцати). Небольшая семейка вынуждена поддерживать более высокую температуру ядра с более резкими её колебаниями.

3. Среднее потребление мёда, в расчёте на одну пчелу, в многочисленной семье значительно меньше, чем в семье малочисленной. А это значит, что в зимующие в многочисленной семье пчёлки гораздо меньше изнашиваются и меньше накапливают каловых масс в кишечнике. Точные данные находим в статье Е.К. Еськова «Зимовка пчелиных семей», 1992 год: «Семья среднерусских пчёл, содержащая 12 тыс. особей за месяц (первая половина зимы) съедала 29 гр. мёда в сутки, в семье из 30 тыс. особей среднее потребление в это же время составило 37 гр. мёда, что из расчёта на одну пчелу в два раза меньше. Тепловыделение составило соответственно 10.6 ватт/час и 17.7 ватт/час».

Теперь следующий важнейший вопрос: какими путями уходит тепло из улья и как мы можем помочь пчёлкам сохранить его? К счастью для нас, в этой области уже поработали специалисты-теплофизики, сделав все необходимые и очень подробные вычисления. Тем, кто желает окунуться в подробности, настоятельно рекомендую книгу Л.Г. Суходольца «Теплофизика зимовки пчёл» (Издательство «Колос», 2006-й год) – самое доскональное из известных мне исследований этой непростой темы. Мы же, минуя сложные вычисления, просто воспользуемся выводами этого и других авторов:

1. Путей ухода тепла, как известно, всего три: прямая теплопередача (охлаждение через стенки, потолок и днище улья), потери, связанные с вентиляцией и тепловое излучение. Последний фактор, в силу его малой значимости, можно исключить из рассмотрения, и у нас останется всего два – воздухообмен с окружающей средой и теплопередача.

2. Потери тепла на вентиляцию сильно зависят от расположения и размеров открытых летков. Но важнейший факт заключается в том, что если мы оставим только воздухообмен, необходимый для дыхания пчелиной семьи, то его вклад в теплопотери не превысит десяти процентов!

3. А значит, в этом случае львиная доля тепла будет уходить через стенки, крышу и днище улья! Вывод из этого очевидный: можно (и нужно!) смело утеплять стенки и особенно крышку улья, и чем теплее они будут, тем легче пчёлкам будет пережить зимние морозы. Особенно это касается, как мы уже понимаем, семей слабых.

Именно поэтому подробными рекомендациями по утеплению ульев, предназначенных к зимовке «на воле», наполнены все наставления по пасечному делу 19-го и начала 20-го веков. Вот некоторые из них:

· Стенки колод и ульев, изготовленных из массива дерева, рекомендовали делать большой толщины, используя «ситцевую», или чуть подгнившую древесину, а не твёрдую и плотную (хорошо проводящую тепло), и тем более не древесину свежеспиленного дерева;

· Делать ульи двустенными с наполнением промежутка между стенками доступными утеплителями (сфагнум, пакля, и проч.) толщиной не менее семи сантиметров;

· Делать дощатые ульи с наружной обшивкой соломенными матами;

· Делать ульи из соломенных матов с внутренней обмазкой специальными составами, состоящими из глины, навоза, берёзовой золы и других компонентов.

Литература советского времени добавляет к этому ещё ряд рекомендаций, таких, как ограждение ульев на зиму специальными кожухами с заполнением промежутков утеплителями, а также составление ульев вместе, забрасывание их снегом и много чего ещё для одной единственной цели – сбережения тепла.

Только в последние десятилетия всё настойчивей стали раздаваться голоса за зимовку под открытым небом в тонкостенных деревянных корпусах. И так, мол, перезимуют. Откуда что берётся? Вот что писал об этом ещё в 19-м веке Эдуард Бертран - знаменитый европейский пчеловод, державший своих пчёл в климате, гораздо более мягком, чем наш («Уход за пасекой», 1882 год):

«Некоторые пчеловоды уверяют, что предосторожности против холода бесполезны. Пчелы, говорят они, могут зимовать даже в ульях с ординарными стенками и даже плохо укрытых сверху. Мы это отлично знаем, и большинство пчеловодов имели случай произвести такие опыты, но в таком случае пчелы на зимовке съедают гораздо больше меда, а это и убыточно, и опасно; затем разводимая пчелами черва может пострадать, или вследствие резких колебаний температуры может замедлиться кладка яичек; наконец, пчелы, истощенные усиленною работою для поддержания в улье тепла, к весне бывают настолько обессилены, что не в состоянии бывают воспитывать детку и гибнут массами при первых вылетах».

Более точные данные приводит В.Г. Кашковский в своей книге «Советы пчеловодам», 1991 год (речь идёт о ранней весне): «Например, в одностенном улье без утепления за 1 час теряется 3,60 больших калорий и для покрытия теплопотерь за месяц расходуется 6,17 кг меда. В этом же улье с хорошим утеплением (подушка 9,5 см толщины, с боков поставлены диафрагмы и боковые подушки, утеплено дно) потери тепла за 1 час составляют всего 1,1 большой калории, а для покрытия потерь за месяц потребуется всего 2,04 кг меда, т. е. в три раза меньше, чем без утепления».

На этом тему утепления ульев можно завершить, и перейти к следующей, не менее важной - к теме зимнего дыхания пчёл.

Дыхание пчёл в зимнем клубе

Итак, пчёлки зимой согреваются, поедая мёд и используя его как своеобразное «сладкое» топливо. Мёд состоит из фруктозы (типовой анализ даёт 38%), глюкозы (31%), воды (17%) и прочих (в том числе зольных) веществ. Химическая формула фруктозы и глюкозы одинаковая - С6Н12О6, а реакция окисления будет выглядеть так:

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О

Из неё видно, что пчёлы, усваивая мёд, в процессе дыхания поглощают из воздуха кислород и выделяют в него углекислый газ и воду. Переведя эту формулу на язык чисел, получим, что при съедании 60-ти граммов мёда (столько съедает хорошая семья в морозный зимний день) в воздух выделяется приблизительно 40 литров чистого углекислого газа (при нормальных условиях) и 40 граммов воды в виде пара. Расчёты сделаны с учётом того, что зрелый мёд содержит приблизительно 17% воды. Воде будет посвящена следующая глава, а сейчас остановимся на кислороде и углекислом газе.

Исследования показали, что в закрытом объёме пчёлки начинают гибнуть при повышении концентрации СО2 свыше 9%, или при снижении концентрации кислорода ниже 5% (исходное содержание этих газов в воздухе 0.33 (??) и 23 процента соответственно). Поскольку потребляется кислорода по объёму столько же, сколько выделяется углекислого газа, то лимитирующим фактором является именно повышение уровня СО2. Концентрацию углекислого газа до 4% пчёлы переносят спокойно, более того, по мнению специалистов, такая концентрация способствует улучшенной зимовке, хотя, возможно, несколько ускоряет старение. При концентрации СО2 в улье выше 4% пчелиная семья начинает возбуждаться и вентилировать гнездо.

Используя эти значения, нетрудно подсчитать, что в средний зимний день в улей должно попасть около кубометра свежего уличного воздуха и столько же отработанного выйти наружу. Это не так уж много – всего 0.7 литра в минуту (летом воздухообмен доходит до одного литра в секунду). Но это в случае прямоточной вентиляции. Если же в улье открыт всего один леток, то тепловых потоков входящего и выходящего воздуха практически не будет, и в воздухообмене преобладающую роль начнёт играть диффузия. И это очень важно! Ведь именно диффузия (выравнивание концентраций газов, содержащихся в сообщающихся объёмах, за счёт теплового движения молекул) играет в процессах зимнего воздухообмена в улье огромную роль! В частности, диффузия «помогает» уменьшить общий газообмен внутреннего объёма улья с окружающим воздухом в несколько раз. Происходит это за счёт того, что все газы, входящие в состав воздуха, ведут себя независимо друг от друга, и поэтому азот – основная составляющая воздуха – в обмене не участвует. А это – прямая экономия тепла.

Приведённые выше рассуждения объясняют тот известный из литературы факт, что пчёлам для дыхания вполне достаточно одного маленького летка, даже находящегося значительно ниже нижней границы клуба. А поскольку этот момент является очень важным, автор данной статьи для проверки провёл ряд несложных опытов с осветительной масляной лампой, помещённой в пустой улей. Фитиль в лампе регулировался таким образом, чтобы в сутки сгорало примерно 100 гр. масла, что заведомо больше максимального суточного потребления мёда в самые морозы. Леток располагался возле самого дна, в 50-ти сантиметрах от потолка улья, а лампа размещалась как можно выше (пламя фитиля находилось в 25 сантиметрах от потолка). Крышка улья герметизировалась полиэтиленовой плёнкой. Через двое суток, когда по расчётам весь кислород в улье давно уже должен был выгореть, лампа продолжала гореть так же, как и в самом начале опыта.

Вывод из всего этого можно сделать такой: для того, чтобы пчёлки зимой задохнулись, пчеловоду нужно очень сильно «постараться», практически полностью закупорив внутренний объём улья. Такое, разумеется, встречается крайне редко, разве что когда пчелиный подмор забивает единственный нижний леток. Но, говорят, что и в этом случае пчёлки гибнут далеко не всегда.

Историческим примером может послужить теория Августа Берлепша - корифея европейского пчеловодства 19-го века. Он настоятельно рекомендовал полностью затыкать на зиму все летки! И этой рекомендации следовало огромное количество не только европейских, но и российских пчеловодов, в том числе (на заре своей деятельности) Александр Михайлович Бутлеров – знаменитый химик и не менее знаменитый пчеловод 19-го века. Объяснить это не трудно – ульи в те времена изготавливались, как правило, из досок, и пчелиной семье достаточно было того воздуха, который проникал через неизбежные для дерева микротрещины. Впрочем, сам Бутлеров впоследствии отказался от практики затыкания всех летков, признав, что не всё «передовое европейское» можно перенимать слепо. Но об этом чуть позже, а сейчас несколько простых выводов из этой главы:

1. Потребности в свежем воздухе у пчелиной семьи зимой невелики, и вполне обеспечиваются одним небольшим летком;

2. Более того, излишний воздухообмен с окружающей средой пчёлкам не нужен, поскольку, во-первых, с тёплым воздухом из улья уходит тепло, а во-вторых, уходит углекислый газ;

3. Пчёлки хорошо переносят значительное повышение концентрации углекислого газа, которое, по всей видимости, помогает им лучше перенести зиму;

4. При наличии одного открытого летка значительную (если не основную) роль в газообмене улей-улица начинает играть диффузия, приводящая к выравниванию парциальных давлений газов, составляющих воздух, снаружи и внутри улья;

5. При наличии сильной сквозной вертикальной вентиляции (два открытых летка – верхний и нижний) хорошее утепление стенок практически теряет смысл.

Последний момент легко проиллюстрировать примером из жизни. Представим себе дом (квартиру) со слегка открытой зимой форточкой. В неё будет попадать небольшое количество свежего воздуха, и ощущение в доме будет комфортное. Теперь откроем вторую форточку, или приоткроем входную дверь, и сразу появится «сквозняк». В доме сразу станет холодно и некомфортно, и что-то одно (дверь или форточку) захочется закрыть. Ровно то же самое происходит и в пчелином домике.

Но опытные пчеловоды обязательно спросят: почему же тогда при наличии двух летков сами пчёлки далеко не всегда заделывают верхний, оставляя в нём на зиму разного размера (в зависимости от силы семьи) отверстие? Здесь, я думаю, дело в том, что они «понимают», что в данной конкретной ситуации другого выхода просто нет. Как мы знаем, в процессе дыхания образуется изрядное количество влаги, которой при небольшом объёме современного улья и минимальном пространстве под сотами деваться просто некуда. А значит, для избавления от сырости внутри улья у пчелиной семьи в этом случае остаётся только один выход – сквозная вентиляция. Ведь сырость в улье гораздо страшнее холода!

И именно этой важнейшей теме будет посвящена вся следующая глава.