Mathematical modeling of heat transfer between the plant seedling and the environment during a radiation frost

• Published in: Journal of stress physiology & biochemistry Vol. 6; no. 4; pp. 108 - 125
• Main Authors: Finnikov K.A, A.V. Minakov, A.A. Dekterev, A.A. Gavrilov, A.M. Korzun, Voinikov V.K, Kolesnichenko A.V
• Format: Journal Article
• Language: Russian
• Published: Irkutsk Siberian Institute of Plant Physiology & Biochemistry 2010
• Subjects: Balance radiactivo; Bilan radiatif; Daños por la helada; Dégât dû au gel; Frost; Frost damage; Frost resistance; Gel; Heat radiation; Heat transfer; Helada; Hipotermia; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_11025; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_11692; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_24199; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_24242; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_3113; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_3114; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_32479; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_3521; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_5970; http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_6420; Hypothermia; Hypothermie; Mathematical models; Modelos de simulación; Modelos matemáticos; Modèle de simulation; Modèle mathématique; Pelos vegetales; Plant hairs; Poil végétal; Radiación de calor; Radiation balance; Rayonnement de chaleur; Resistencia a las heladas; Résistance aux gelées; Simulation models; Transferencia térmica; Échange thermique; أذى التجمد; إنتقال الحرارة; شعور نباتية; صقيع; مقاومة الصقيع; ميزان الإشعاع; نماذج رياضية; نماذج محاكاة; هبوط الحرارة; 体温过低; 抗霜性; 数学模型; 植物绒毛; 模拟模型; 热量辐射; 热量输送; 辐射平衡; 霜; 霜冻害
• ISSN: 1997-0838; 1997-0838

The power of the internal heat source sufficient to maintain a positive temperature of plants during one of the possible form of cold stress - radiation frost was determined with the help of numerical simulation. The simulation of unsteady heat transfer in the soil-plant-air system in the conditions of radiation frost showed that the the ground part of plants is cooling most rapidly, and this process is partially slowed down by the natural-convection heat transfer with warmer air. If the frost is not continuous, the radiative cooling is the main danger for plant. The necessary power of heat-production inside plant that allows it to avoid hypothermia depends both on natural conditions and the size of the plant. For plants with a typical diameter of the stem about 2 mm this heat-production should be from 50 to 100 W / kg. Within 2 hours a total amount of heat about 0.5 MJ / kg in the plant should be allocated. Larger plants will have a smaller surface to mass ratio, and the maintaining of it's temperature will require a lower cost of nutrients per unit, accordingly. Modeling of the influence of plant surface trichomes presence on the process of its cooling showed that the role of trichomes in the protection of plants from hypothermia during radiation frost usually is negative due to the fact that the presence of trichomes increases the radiative heat transfer from the plant and the impediment in air movement near the plant reduces heat flux entering the plant from a warmer air. But in cases where the intensity of heat generation within the plant is sufficient for the maintenance of the plant temperature higher than the air temperature, the presence of trichomes impairs heat transfer from plant to air, and therefore contributes to a better heating of plants. Путем математического моделирования изучен вопрос о мощности источника тепла, необходимого для защиты растения от замерзания и определена мощность теплового источника, достаточная для поддержания положительной температуры растения в условиях одной из возможных форм холодового стресса - радиационного заморозка. Проведенное моделирование нестационарного процесса теплопередачи в системе грунт-растение- воздух в условиях радиационного заморозка показало, что наиболее быстро происходит охлаждение наземной части растения, отчасти замедляемое естественно-конвективным теплообменом с еще не успевшим охладиться воздухом. Если заморозок не слишком длителен, то именно радиационное охлаждение является основной опасностью. Необходимая мощность тепловыделения внутри растения, позволяющая избежать переохлаждения, зависит как от природных условий, так и от размеров растения. Для растения с характерным диаметром стебля ~2 мм удельная мощность тепловыделения должна составлять от 50 до 100 Вт/кг. В течение 2 часов в растении должно быть выделено суммарное количество тепла порядка 0,5 МДж/кг. Более крупное растение будет иметь меньшее отношение поверхности к массе, и соответственно, поддержание температуры в нем будет требовать меньших удельных затрат питательных веществ. Моделирование влияния волосков на поверхности растения на процесс его охлаждения показало, что роль волосков в защите растения от переохлаждения в условиях радиационного заморозка является, как правило, отрицательной, так как наличие волосков усиливает радиационную теплоотдачу от растения, а затруднение движения воздуха вблизи растения приводит к снижению потока тепла, поступающего к растению от более теплого по сравнению с ним воздуха. При этом в тех случаях, когда интенсивность тепловыделения внутри растения достаточна для того, чтобы температура растения превысила температуру окружающего воздуха, наличие волосков ух