Анализ методов и электрофизических устройств для уничтожения прикорневых вредителей в садоводстве

Постановка проблемы. Прикорневые вредители - одна из сложных и актуальных проблем в садоводстве. Они наносят значительный экономический ущерб данной отрасли.

Для защиты растений от вредителей применяют комплекс физико-механических, химических, электрофизических и других методов борьбы. Физико-механический метод нецелесообразно использо-ват ь после вы сад к и мол од ых саже н це в. Данный метод не дает возможности обработки в прикорневой зоне, поэтому происходит повреждение корневой системы, а также уплотнение грунта. Химический метод может привести к накоплению химических соединений в почве, что негативно отражается на жизнедеятельности саженцев. Электрофизический метод для уничтожения прикорневых вредителей в садах широк и включает применение различных физических факторов - температуры, электромагнитных излучений различных диапазонов, акустических сигналов и т.д. Экологическая чистота, селективность, быстродействие делают применение этого метода перспективным при организации защитных мероприятий. Однако недостаточное изучение процесса привлечения и уничтожения вредителей, а также высокие потенциальные в оз мож н ост и м его да об у-словливают необходимость продолжения работ по исследованию и разработке установок и процессов электрофизических методов борьбы с личинками насекомых-вредителей в садоводстве [1].

А налнз последних исследований. К наиболее распространенным методам для обезвреживания прикорневых вредителей относятся методы использования электрических и электростатических полей постоянного тока, переменного тока низкого, высокого и сверхвысокой частоты. Известен способ, который заключается в генерировании СВЧ-лучей в направлении обрабатываемой сельскохозяйственной культуры. Вокруг культуры создают зону воздействия СВЧ-лучей путем концентрации СВЧ-гене-рирующих и отраженных лучей в ограниченном пространстве. Способ реализован на установке, содержит блок пита ния, СВЧ-генератор, волноводы и излучатели, помещенные в экран. Много раз отраженный поток СВЧ-лучей эффективно воздействует на вредителей, расположенных в обрабатываемой культуре.

СВЧ-генератор характеризуется следующими параметрами: уровень плотности потока СВЧ-энергии 22...30 Вт на 1 м3 на расстоянии 1 м от излучателя, потребляемая мощность 3300 Вт, генерирует от каждого излучателя СВЧ-лучи, которые направляются на противоположную боковую сторону экрана и многократно отражаются от его поверхности. Установка экрана отображает СВЧ-лучи от рассеяния и концентрирует их в ограниченном пространстве.

Образованный таким образом мощный поток СВЧ генерирующих и отраженных лучей попадает на обрабатываемые растения и вредителей [2].

Известно также одно из устройств для согласованного ввода СВЧ-энергии в грунт. Оно выполнено в виде радиопрозрачного обода, установленного на оси, причем излучатель расположен в середине обода. При движении тележки обод катится по поверхности нагрузки, повторяя его профиль. Излучатель движется при этом на минимальном расстоянии от поверхности облучаемого. Управление устройством осуществляется механически за счет того, что величина зазора между излучателем и облучаемой поверхностью поддерживается постоянной. Причем величина зазора не зависит от изменения профиля поверхности, в течение которой движется излучатель, и все время остается минимальной [3].

Проведенный анализ литературных источников показывает, что обезвреживание прикорневых вредителей с использованием ЭМП СВЧ-диапазона возможно.

Формирование целей статьи. Целью данной работы является анализ существующих методов и электрофизических устройств для обезвреживания прикорневых вредителей в садоводстве.

Основная часть. Научные исследования, проводимые на разных уровнях организации материи, показали, что организмы самых различных видов насекомых чув- ствительны к низкоэнергетическим электромагнитным излучениям сверхвысокой частоты [4].

В диапазоне разрешенных частот наибольшее практическое значение для обработки имеют частоты 915, 2450, 2375 и 5800 МГц, которым соответствует эффективное глубинное проникновение СВЧ-энергии 0,1...0,45 м [5].

Механизм диэлектрического нагрева материалов сверхвысокочастотной энергией основан на явлении диэлектрической поляризации - перемещении в некоторых ограниченных пределах связанных электрических зарядов - диполей. Под действием внешнего переменного электромагнитного поля в материале происходит их колебательное движение и переориентация, в результате действия которых возникают токи проводимости и смещения. Совокупность обоих явлений и обеспечивает нагрев материала.

Удельная активная мощность, определяющая количество тепла, выделенного при СВЧ-нагреве в единице объема материала, рассчитывается согласно классическому закону Джоуля-Ленца [6]:

Р,™ = 0,556-АО-⁶. e'.t_g5J'.K\ где Р_пит - удельная мощность, Вт/м³;

Е - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости материала;

• tg<7 - угол диэлектрических потерь;

• / - частота электромагнитного поля, Гц;

Е - напряженность электрического поля, В/м.

Таким образом, нагрев диэлектрических материалов в ЭМП СВЧ количественно определяется как собственно диэлектрическими свойствами материала 8* и tg^, так и параметрами электромагнитного поля - напряженностью Е и частотой / . Эти факторы обусловливают некоторые исключительные преимущества СВЧ-нагрева:

• •    высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую (близок к 100%);

• •    безынерционный нагрев объекта «изнутри» с исключительно высокой интенсивностью (температура и скорость СВЧ-нагрева регулируются напряженностью Е и частотой f ЭМП);

• •    бесконтактный экологически чистый подвод энергии;

• •    равномерный нагрев по всей массе продукта и его избирательность в случае неравенства диэлектрических свойств (параметров 8* и tgO).

Последнее практически означает, что, поскольку диэлектрические свойства воды примерно в десятки раз выше, а влага личинки, которая находится в почве, больше влаги почвы, то при СВЧ-нагреве в первую очередь нагревается вода в срединных личинках. На макроуровне это будет проявляться в большем нагреве влажных материалов в сравнении с менее влажными [6].

Однако следует отметить, что экспериментальные данные носят весьма противоречивый характер. Наиболее изучено тепловое воздействие СВЧ-излучения.

Например, действие СВЧ-излучения с длиной волны 3 см при плотности потока 150-200 мВт/см" в течение I...25 мин вызвало гибель многих насекомых, а также ряда млекопитающих: мышей, крыс, кроликов, овец [7].

Микроволновые установки могут быть использованы в строительстве и эксплуатационно-ремонтном хозяйстве для противогрибковой обработки, дезинсекции элементов составов, строительных сооружений, овощехранилищ, складских контейнеров. Их можно с успехом применять для сушки и бактериологической обработки стен, в том числе после штукатурки, для глубокой просушки стен в местах протечек воды из водопроводных труб. Микроволновые установки хорошо справляются с вспениванием жидкого стекла. Микроволновое излучение эффективно уничтожает грибок и древесного жука на деревянных поверхностях. Данное устройство можно использовать для уничтожения прикорневых вредителей. Устройство может обрабатывать одновременно 1 м2 площади, потребляя 1,4 кВт [8].

В республике Беларусь выпускают модуль микроволнового нагрева типа ММН КРЭС 434726, генерирующий электромагнитную энергию. Волновой выход позволяет использовать его в промышленном оборудовании для сушки, нагрева, стерилизации различных диэлектрических материалов. Конструктивное исполнение изделия позволяет получать нужную мощ ность электромагнитной энергии путем многомодульного построения оборудования как резонансного, так и конвейерного типа.

При стерилизации почвы устройством с частотой 2450±100 МГц, экспозицией 2...7 мин по данным авторов [9] получены результаты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Показатели эффективности микроволновой стерилизации почвы

Этапы развития	Количество жизнедеятельных нематод в 0,1 мл почвы
	Контрольные	Экспериментальные
Личинка	6,2	0
Самки	7,0	0
Самцы	7,2	0

В России в Самарской государственной сельскохозяйственной академии проводились исследования воздействия СВЧ-энергии на репродуктивную способность колорадского жука. В лабораторных условиях использовался медицинский прибор «ЛУЧ-3», который генерирует электромагнитные колебания СВЧ-диапазона частоты 2450 ± 49 МГц. Оказалось, что наиболее эффективной была обработка в течение 4, 5 и 7 мин.

При обработке личинок с частотой 2450 МГц и экспозицией 4 мин погибло 16% кладки яиц, за 5 мин погибло 9%, а при 7 мин погибло 83% [10].

Таким образом, электрофизические излучения СВЧ-диапазона дают положительный результат при борьбе с колорадским жуком и при обезвреживании прикорневых вредителей.

Влияние СВЧ-энергии на вредителей изучают также в Харькове (Украина). Были проведены исследования по обезвреживанию амбарных насекомых и грибков. Результаты данных исследований представлены в таблице 2.

Излучение осуществлялось с частотой 2450 МГц и экспозицией согласно таблице 2. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в данном случае летальность у насекомых непосредственно коррелировала с экспозицией. Повышение экспозиции обработки зерна с 5 до 45...90 с способствовало увеличению количества погибших насекомых с 68 до 100%. Температура зерна при этом не превышала 40...45 °C [11].

Фотосинтезу принадлежит центральное место в общей энергии клетки, поскольку именно этот процесс является первоисточником всей энергии, которую используют живые организмы в процессе жизнедеятельности. Во время фотосинтеза энергия света поглощается пигментными системами, превращается в химический потенциал богатых энергией метаболитов и накапливается в клетке в виде углеводов, жиров, белков. Фотосинтез неразрывно связан с реакцией энергетического и пластического обмена и поэтому составляет основу метаболизма зеленой растительной клетки.

В состав видимого освещения входят лучи с длиной волны 380. ..810 нм, а фотосинтетическая активная радиация (ФАР), или фотосинтетически активные лучи имеют длину волны от 380 до 710 нм. То есть они занимают полосу солнечного спектра, меньшую полосы видимого света.

На рисунке приведены спектр видимых лучей и действие этих лучей на фотосинтез, биосинтез хлорофилла и другие процессы жизнедеятельности растения (тропизмы, фотоморфогенез, прорастание семян, фотопериодическая реакция) [12].

Таблица 2

Влияние СВЧ-излучения на насекомых, находящихся в зерне

№ п/п	Экспозиция, с	Потребляемая мощность излучения, Вт/см3	Смертность, %
1	5	2,3... 2,8	68,3
2	15	2,3... 2,8	79,3
3	30	2,3...2,8	97,1
4	60	2,3...2,8	100
5	120	0,8...1,1	100

°' 100

Фототропизм

Длина волн, нм

Способствуют прорастани^о семян

Фотосинтез

Фот о мор фе генез

Зрительное стояние

Биосинтез хлорофши

Задерживают прорастание семян

Максимально зрительное

- Действие спектра на отдельные процессы жизнедеятельности растений .            Видимые лучи

Космические лучіг

Х-ЛУЧИ

Ультра фиолег

Лучи солнца па Земле

Инфракрасное

Радиоволны

Ю-16

10'

10"12

ТО-

ТО

10’4

1(Г2

ю2

Длина волн, м

Спектр развития растения

По данному спектру развития растений можно сделать вывод о границах применения длины волны для борьбы с личинками прикорневых вредителей. Данный диапазон длины волны находится в пределах 1... 10'1 нм с частотой ЗЮ8.. .3 -109 Гц.

Так как в данной части длины волны нет влияния на растение, значит борьба с вредителями не будет иметь негативных последствий для растения.

Как известно, после цветения яблони хрущи (майские жуки) откладывают яйца в почву на глубину 20...40 см кучками по 5...20 яиц. Через 24...35 дней, в зависимости от температуры почвы, появляются насекомые-личинки, живущие в почве три- четыре года. В этот период происходит интенсивное поедание корней деревьев. В июне — июле из личинки развивается жук и, не выходя из почвы, остается там до весны [13].

Исходя из вышесказанного, предлагается уничтожение вредителей на стадии личинки второго и третьего года жизни. Установлено влияние на личинку электромагнитных полей на частоте 3 ■ 108... 3 ■ 109 Гц с плотностью потока 150...200 мВт/см2 на глубину до 15 см, так как они проводят жизнь на глубине от 7 до 10 см.

Таким образом, проведенный анализ научных литературных источников показывает, что для обезвреживания прикорне- вых вредителей целесообразно применять ЭМП дециметрового диапазона, использование которых требует разработки физико-математических моделей для определения биотропных параметров электромагнитного излучения.

Отсутствие специализированных высокостабильных монохроматических источников СВЧ-излучения дециметрового диапазона делает проблематичной постановку вопроса о создании электротехнологии обезвреживания прикорневых вредителей в садоводстве.

Поэтому разработка электромагнитных устройств и технических средств дециметрового диапазона для обезвреживания прикорневых вредителей в садоводстве является актуальной задачей.

Выводы. На основании обобщения материала отечественных и зарубежных научных публикаций можно сделать следующие выводы.

• 1.    Для обезвреживания прикорневых вредителей целесообразно применять ЭМП дециметрового диапазона, позволяющие создать эффективную и экологически чистую технологию борьбы с вредителями.

• 2.    Для определения биотропных параметров электромагнитного излучения (частоты, мощности, нестабильности частоты, экспозиции), вызывающего гибель вредителей, необходимо исследовать физико-математические модели с учетом строения и электрофизических свойств личинки-вредителя .

• 3.    Для создания устройств обезвреживания прикорневых вредителей необходимы дальнейшие исследования и разработка высокостабильных с относительной нестабильностью частоты (10'⁷... 10"⁹) источников СВЧ-излучения дециметрового диапазона.