Воздухообмен зимой между ульем и природой

Чтобы понять, как жили пчёлы в естественных условиях - в дупле живого дерева, многие авторы обращаются к основным правилам естественного закона жизни дикого роя. Большинство из этих правил сформулированы достаточно чётко, что не вызывает никаких возражений и сомнений в их реальности. Однако описание воздухообмена в естественном жилище пчёл, в частности при зимовке, едва ли можно считать столь же безупречным. Цитирую описание этих процессов: «Холодный и тяжелый воздух, проникая в дупло дерева через нижнюю половину летка, направляется не вверх прямо к клубу зимующего роя, а течёт по передней стенке дупла дерева вниз, на дно дупла, здесь смешивается с чуть нагретым воздухом, не производя ни малейшей испарины, постепенно согревается, становится от этого более лёгким и постепенно поднимается вверх к рою, и снабжает его чистым воздухом для дыхания.

Тёплый и влажный воздух выдавливается через верхнюю половину летка». То же, но уже в отношении улья: «Отработанный влажный воздух, богатый углекислотой, попадая в наиболее холодные части у стен улья, опускается вниз и выдавливается через леток поднимающимся снизу свежим холодным воздухом».

С этим «выдавливанием» тёплого воздуха холодным можно столкнуться и у других авторов. Однако подобной схеме препятствуют следующие обстоятельства. Во-первых, холодный воздух никогда (по крайней мере, без воздействия внешних сил или притока энергии извне) сам по себе не будет подниматься вверх. Он обладает более высокой плотностью и уже в силу этого его место только внизу.

Воздухообмен между полостью дупла (как и улья) и окружающей средой при прочих постоянных условиях возможен лишь в том случае, если имеется разница в температуре внутреннего и наружного воздуха на уровне леткового отверстия. Только в этом случае, в полном соответствии с законом конвекции, тёплый воздух (как более легкий) будет выходить из летка, а навстречу ему и ниже входить через леток в полость дупла более тяжёлый, холодный, наружный воздух. Причём скорость воздухообмена будет прямо пропорциональна имеющейся разности температур.

Отсюда следует и другой важный вывод: зимующий пчелиный клуб не может находиться на уровне, значительно удаленном по вертикали от уровня нижележащего летка. Объяснить это можно довольно просто: отработанный воздух, охлаждаясь от стенок дупла и опускаясь вниз, может при сильных морозах охладиться настолько, что температура его может приблизиться или даже сравняться с температурой наружного воздуха, что катастрофически ограничит воздухообмен и приток кислорода, со всеми вытекающими отсюда последствиями для пчёл.

Никакого «выдавливания» воздуха в улье не требуется, чтобы из полости жилища пчёл начал выходить воздух. Существует один нюанс, суть его в том, что если не брать во внимание газы в составе атмосферного воздуха (N. и др.), которые входят и выходят из жилища пчёл, не претерпевая никаких химических изменений, то в ходе окислительно-восстановительных процессов при потреблении пчёлами корма, объём выделенных газов (СО2 и Н2O) примерно на 140%, или в 2,4 раза, превышает объём использованного при этом О2. То есть всё происходит как раз с точностью наоборот: именно внутренний воздух препятствует входу холодного наружного и сам себя «выдавливает» через летковое отверстие. Так что никаких трудностей с выходом отработанного воздуха нет - он покидает улей без всякого воздействия извне. А вот с поступлением свежего, насыщенного кислородом воздуха проблема куда более острая.

Кислород в условиях зимовки пчел

В условиях зимовки пчел в качестве основного лимитирующего фактора выступает дефицит кислорода, возникающий в результате естественных химических и физических процессов, а отнюдь не проблема удаления углекислого газа и избыточной влажности, столь наглядно и пагубно влияющей на результаты зимовки пчёл. Именно дефицит кислорода становится приоритетным в перечне основных лимитирующих факторов, определяющих выживаемость пчёл во время зимовки. Тем не менее, достаточно примечательным фактом, характеризующим противоречивость взглядов по этому вопросу до сих пор, является то, что такой компетентный специалист по бортевому пчеловодству, как Е.М.Петров, использовавший в данной работе около 80 литературных источников, лишний раз и совершенно обоснованно, вынужден отмечать, что «вопреки мнению некоторых современных исследователей, пчёлы зимой всё же нуждаются в постоянном притоке кислорода».

С полным основанием можно утверждать, что в каждом конкретном случае (сила клуба пчел, параметры улья и др.) имеется тот минимально допустимый просвет летка, дальнейшее уменьшение которого приведет к полному нарушению газообмена. Ещё раз стоит напомнить о том, что площадь летка у пчёл, живущих в дуплах, намного превышает его площадь в ульях. При размере летка, меньше минимально допустимого, противоток газов из жилища пчёл занимает всё сечение летка, что практически прекращает доступ наружного воздуха и, соответственно, кислорода. При большей площади летка, который обычно оставляют пчёлы (если они имеют такую возможность), выходящий из летка воздух занимает лишь верхнюю часть его сечения. Нижняя же часть летка, по крайней мере, лишена противотока воздуха, выходящего из жилища, способного вообще лишить семью кислорода.

Вот и получается, что если при обычных условиях конвекционного воздухообмена, когда объём вышедшего воздуха практически равен объёму вошедшего (а по массе вошедший воздух даже преобладает над удаленным, поскольку имеет большую плотность), обеспечение зимующего клуба кислородом не представляло бы никаких проблем, то при наличии такого фактора, как избыток выходящих газов над входящими, ситуация с обеспечением пчёл кислородом предельно осложняется. Об этом косвенно сигнализируют и сами пчёлы.

Цитирую Петрова Е.М. получившего в результате своих исследований много интересных данных о жизни диких пчёл: «В осенне-зимнее время, когда развитие семьи прекращено полностью и расход корма пчёлами ограничен до минимума, пчелиный клуб движется только вверх, вслед за убывающими кормовыми запасами, но при этом «привязываясь» к одному из летков дупла. По мере удаления от летка, форма зимнего клуба меняется и во второй половине зимовки он имеет чуть вытянутую форму, так, чтобы край клуба всегда был по соседству с летком». Не испытывая дефицита кислорода, зимующий клуб не был бы так «привязан» к летку и свободно бы перемещался в более комфортную по температурным условиям верхнюю часть гнезда.

В условиях преобладания выходящих из жилища пчёл газов над входящими, существенное значение в вентиляции гнезда приобретает и действие ветра. В большинстве случаев, особенно в лесу, из-за обилия препятствий его потоки носят достаточно хаотичный характер. При порывах ветра, параллельных плоскости летка, из объёма жилища как бы отсасывается воздух, так как в струе воздуха давление всегда ниже. При порывах ветра, имеющих направление, перпендикулярное плоскости летка или близких углах, происходит перемешивание выходящих из летка потоков и прямое вталкивание наружного воздуха в полость дупла, где он, как более холодный, скапливается в придонной части. Как мы видим, в данном случае ветер, который обычно принято рассматривать как фактор, неблагоприятно воздействующий на пчёл, играет положительную роль в улучшении газообмена. Степень влияния этого фактора сильно варьирует в зависимости от скорости ветра и других причин, но существенно повышает его роль то, что он действует с относительным постоянством, т.к. полностью безветренные дни довольно редкое явление. В условиях же размещения ульев в зимовнике или при их зимовке под снегом действие этого фактора сводится к нулю.

Обеспечение зимующеей пчелиной семьи кислородом

Поскольку при описанных ранее условиях конвекционный газообмен в гнезде пчёл крайне затруднен или невозможен, то основным процессом обеспечения зимующего клуба кислородом является его диффузия из мест с повышенной концентрацией в места с пониженной концентрацией, т.е. туда, где он используется непосредственно на дыхание пчёлами. Скорость диффузии возрастает с повышением температуры. Следует отметить, что в диффузионных процессах, естественно, участвуют и все остальные газы, находящиеся в жилище пчёл. В противном случае мы бы имели послойное распределение газов в соответствии с их молекулярным весом.

Если и в местах с повышенной концентрацией О, в объёме жилища пчёл его содержание понижается ниже определенного уровня, то диффузия О, к зимующему клубу пчел может достичь критической точки. У зимующих пчёл, особенно в экстремально холодные дни, сопровождающиеся обычно полным безветрием, практически отсутствует возможность запустить «принудительную» механическую аэрацию крыльями, поэтому остаётся единственный путь улучшения газообмена - поднять температуру в объёме жилища и поддерживать её на жизненно необходимом уровне. Поэтому зимующий клуб вынужден обогревать не только себя, что наиболее экономично, учитывая его способность сжиматься (увеличивая тем самым теплоизоляционные свойства), но и тратить дополнительную энергию на обогрев самой полости жилища.

В этой связи легко объяснить и отмеченное Петровым Е.М. странное, на первый взгляд, поведение слабых семей. Вместо того чтобы сжаться в плотный клуб, экономя тепло, они образуют более рыхлое сообщество, пчёлы при этом больше рассредоточены на сотах, чем это бывает у сильных семей. Кроме того, зимой слабые семьи покрывают относительно больше медовых сотов, чем сильные. Слабой пчелиной семье настолько трудно поддерживать необходимое тепло, что в активный температурный центр вовлекается всё больше и больше пчёл, и с наступлением сильных морозов почти вся семья приходит в активное состояние. Поэтому под оболочкой клуб сильно разрыхляется и занимает большое пространство.

Факты успешной зимовки пчёл

Однако такое поведение проще объяснить именно тем, что пчёлы вынуждены обогревать не только самих себя в клубе, что энергетически было бы наиболее выгодным, но и идти, если можно так выразиться, на преднамеренный допуск утечки тепла из разрыхленного клуба. Это тепло крайне необходимо для поддержания той температуры в полости жилища, которая гарантировала бы приемлемый уровень газообмена. Кстати, факты успешной зимовки пчёл, поселившихся в самых, казалось бы, неподходящих для этого и открытых нишах, также можно объяснить тем, что этому способствует и отсутствие дефицита кислорода. Хотя, естественно, что такие приспособительные возможности пчёл не беспредельны и ограничиваются климатическими условиями.

Было бы очень заманчивым упростить ситуацию с критической точкой содержания кислорода в пространстве, окружающем клуб, и выразить её в конкретных-цифрах. Однако это невозможно сделать (как и в случае с размерами летка) по следующим причинам: во-первых, при низких температурах она достигается при более высоком уровне содержания кислорода, во-вторых, она определяется ещё целым рядом факторов, от которых зависят воздухообменные процессы в жилище пчёл (параметры конкретного жилища, внутренний интерьер гнезда, сила клуба, его расположение и др.).

Следует обратить внимание и ещё на один глобальный неблагоприятный феномен, осложняющий жизнь пчёл (и, соответственно, пчеловодов) и ощутимо снизивший порог достижения зимующими пчёлами критической точки. Информация, приведенная О.Белоконевой, свидетельствует о том, что содержание кислорода в атмосфере Земли существенно снизилось. Так, только за последние 150 лет содержание О, упало на 5,1% (с 26% до 20,9%), а в доисторическую эпоху были времена, когда концентрация кислорода достигала даже 36%. Т.е. при зимовке, при равных энергетических затратах пчёлы сейчас получают кислорода на 20% меньше, чем получали 150 лет назад (если, конечно, такие выводы учёных серьезно аргументированы).

Уважаемые пчеловоды, вы абсолютно правы, подозревая, что нашим предкам-пчеловодам пчёлы преподносили гораздо меньше неприятностей, поскольку обитали в более комфортных условиях. Не исключено также, что и ряд напастей на пчёл в последнее время (в частности, серьезное увеличение грибковых заболеваний) являются и следствием этого процесса, т.к. паразитические грибки гораздо комфортнее чувствуют себя при пониженном содержании 02, чем при повышенном, зачастую просто губительном для них. Несомненно, снижение содержания кислорода в атмосфере не может не оказывать влияния и на другие организмы, паразитирующие на пчёлах, включая и высшие, однако таких данных чрезвычайно мало. В частности, клещ Варроа не поражает пчёл, живущих в высокогорных прериях Перу, что, вероятнее всего, связано с недостатком кислорода для его развития. Кстати, высокое содержание кислорода в прежние времена могло серьезно облегчать пчёлам освоение дупел более крупных размеров и, соответственно, создавало предпосылки для накопления в них столь рьяно отвергаемых некоторыми нашими современниками «двадцатипудовых» запасов мёда.