Czasami fizyka jest jak szwajcarski scyzoryk. Dostarcza narzędzia, które pomagają sprostać wyzwaniom czasu wojny i czasu pokoju. Tym razem wojna przyczyniła się do rozwoju rolnictwa i nawadniania. Poszukiwania rozwiązania problemów z błotem na polach II Wojny Światowej przyczyniły się do postępów prac w nawadnianiu upraw, zwiększeniu plonów i optymalizacji zużycia wody w rolnictwie. Czołgi w błocie Problemy z pokonywaniem miękkiego gruntu przez czołgi stały się widoczne już podczas I Wojny Światowej. Gdy w trakcie II Wojny Światowej teatr działań na froncie zachodnim znów przeniósł się do północno-zachodniej Europy wiedziano, iż problem błotnistych nieprzejezdnych dróg i pól znów powróci. Niemcy boleśnie odczuli to na własnej skórze w czasie inwazji na Związek Radziecki w latach 1941-1944. Ten sam błąd 80 lat później popełnili Rosjanie atakując w lutym 2022 roku Ukrainę i topiąc wiosną w błocie na ukraińskich polach swoje zagony pancerne, a przede wszystkim logistykę. Pomogło to Ukraińcom zatrzymać Rosjan i zmusić ich jeszcze tego samego roku do wycofania się z wielu obszarów. Fizyk Howard Penman W lutym 1944 roku w angielskim Królewskim Biurze Meteorologicznym rozpoczęto prace nad określeniem czynników wpływających na przejezdność wilgotnej gleby. Do zespołu dołączył fizyk Howard Latimen Penman, który jeszcze przed wojną zajmował się procesem parowania wody z gleby (ewaporacja). Penman był doskonałym praktykiem i potrafił znakomicie przygotować sprzęt do doświadczeń w warunkach wodnych. W lipcu 1944 roku powołano tzw. „Komitet Błotny”, który bazując na pracach Penmana miał zbadać przejezdność gruntu dla opancerzonych pojazdów gąsienicowych w zależności od wilgotności, a więc warunków pogodowych. Mimo, iż rok później wojna się skończyła i nie udało się osiągnąć wielu celów, to zbadano wiele czynników wpływających na ruch pojazdów po gruncie, a wyniki prac wykorzystano w powojennej inżynierii dróg, wojskowości oraz rolnictwie. Wzór Penman-Monteith na parowanie wody z gleby Po wojnie Penman wrócił do swoich badań nad parowaniem wody z gleby. Rezultatem jego prac jest słynny wzór Penman-Monteith określający referencyjną wartość parowania wody z gołego gruntu (ewaporacja) i roślinności (transpiracja) – ewapotranspiracja. Został on wypracowany i przyjęty przez FAO w 1990 roku by obliczać ilość wody koniecznej do nawadniania roślin. Na półkuli północnej wilgotność gleby ma swój cykl wynikający z warunków meteorologicznych. Gleba ma też swoją pojemność polową wody adekwatną dla swojego rodzaju (piasek, glina), która określa ile wody jest wstanie zmagazynować. Pozostała część spływa z niej, jeżeli ma taka możliwość. Podczas zimy woda z opadów wsiąka w glebę, jednocześnie trwa parowanie, które nasila się z długością dnia i wysokością Słońca na niebie, a więc temperaturą. W glebie zaczyna się pogłębiać deficyt wody, czyli trwa osuszanie. Poniżej ładny rysunek z angielskiej literatury opisujący cykl wilgotności gleby. Wzór Penman-Monteith na parowanie – ewapotranspirację referencyjną: gdzie ETo – ewapotranspiracja referencyjna [mm/dzień],Rn – promieniowanie netto na powierzchni uprawy [MJ m2/dzień],G – gęstość strumienia cieplnego gleby [MJ m2/dzień],T – średnia dobowa temperatura powietrza na wysokości 2 m [°C],u2 – prędkość wiatru na wysokości 2 m [m/s],es – ciśnienie pary nasyconej [kPa],ea – rzeczywiste ciśnienie pary [kPa],es – ea – deficyt ciśnienia pary nasyconej [kPa],D – nachylenie krzywej ciśnienia pary [kPa/°C],g – stała psychrometryczna [kPa/°C]. Dzięki ewapotranspiracji referencyjnej można porównywać obliczenia niezależnie od punktu geograficznego i wysokości nad poziomem morza. Kiedy Ukraina ruszy do ofensywy? Poniższy przykład wykorzystania ewapotranspiracji do wyznaczenia ewentualnego puntu, w którym wilgotność grunt pozwoli na działania ofensywne jest czysto hipotetyczny i pokazuje jedynie sam mechanizm, a wszelkie założenia są moje własne. Informacje meteorologiczne pochodzą z otwartego archiwum IMGW dla jednej ze stacji meteo. Poczynimy teraz kilka założeń: Poniższe wykresy przestawiają dwie sytuacje meteorologiczne na dwóch różnych glebach, na których zaznaczyłem moment osiągnięcia przez grunt 75% pojemności polowej. Oczywiście bilans wodny nie może przekroczyć pojemności polowej, ani być ujemny, choć na wykresach nie wprowadzałem ograniczeń. Pokazują one jaka susza czasami dotyka regiony naszego kraju. Jak można zauważyć termin rozpoczęcia działań w dużej mierze zależy od opadów i może różnić się choćby o miesiąc. Również mniejsza pojemność polowa gleby przyspiesza osuszanie. Ze względów pogodowych potencjalna ofensywa ukraińska w 2023 roku prawdopodobnie nie zacznie się wcześniej jak w drugiej połowie kwietnia, a może dopiero w maju. Literatura:
