Влияние ветра и метеорологических явлений на деревья

Ветроустойчивость деревьев зависит от множества факторов, но ключевую роль играют сложные погодные условия, их сочетание и сезон года. Важный вклад также имеют особенности почвы и условия произрастания, включительно с антропогенным влиянием в условиях городской среды.

В конце октября нынешнего года через территорию Украины прокатился мощный циклон «Armin». В его тыловой части за счёт высоких барических градиентов, а также в результате турбулентного перемешивания воздуха в слое трения произошло резкое усиление ветра до 20 – 25 м/с преимущественно юго-западного и западного направления. В результате буйства стихии по всей стране были повалены сотни деревьев и тысячи крупных веток. Несколько людей погибло и десятки получили ранения. Особенно заметный древопад происходил в условиях городской застройки, где наблюдается крайняя неоднородность подстилающей поверхности. В крупных городах, где располагаются высокие здания и их системы, часто создаётся так называемый аэродинамический эффект, который заключается в дополнительном усилении порывов ветра при сужении пространства между домами. Кроме того, деревья в городской среде часто вырастают высокими, однако имеют слабо развитую корневую систему и крону, нередко подвергаются различным болезням, образуются многочисленные наросты омелы и т.д. Как следствие, даже при порывах в 18 – 23 м/с многие растения не выдерживают и падают, либо ломаются крупные ветви и стволы, что приводит к обрывам линий электропередач, повреждениям автомобилей и крыш, а также человеческим жертвам.

Устойчивость взрослых и здоровых деревьев к ветру зависит от множества факторов (на рисунке 1 приведены некоторые из них), основными из которых являются следующие:

• порода дерева;
• влажность и структура почвы;
• условия произрастания;
• метеорологические явления;
• вегетационный период и пора года.

Рисунок 1. Некоторые факторы окружающей среды, способствующие падению дерева (по данным ресурса AccuWeather).

Проанализируем каждый из факторов и начнём с породы дерева. В нашем умеренном климате произрастает множество видов деревьев, подавляющая часть из которых являются листопадными. В результате многочисленных наблюдений и статистических данных можно выделить категорию деревьев, наиболее стойких к воздействию ветровой нагрузки. Таковыми являются: дуб, граб, вяз, бук, платан, липа, клён сахарный, каштан, грецкий орех, пирамидальный тополь, берёза (в некоторых случаях). Наименее устойчивыми к сильным порывам ветра обычно считают иву, акацию (робиния), различные виды тополей, ясень, клён ясенелистый, клён серебристый, ель обыкновенная, сосна, берёза, осина, рябина, подавляющее большинство фруктовых пород (яблони, абрикосы, сливы и т.д.). Здесь важно отметить, что речь идёт только о здоровых деревьях среднего возраста, произрастающих в средней полосе Европы. Мировым рекордсменом же по ветроустойчивости являются кокосовые пальмы и некоторые родственные им виды. Благодаря своей эволюционной адаптации к особенностям тропического климата, где нередко возникают ураганы и тайфуны, эти растения способны выдерживать порывы до 70 м/с и даже более! У них имеется крепкая и разветвлённая корневая система, чрезвычайно гибкий ствол и компактная крона. В Северной Америке достаточно прочными и выносливыми деревьями являются секвойи. В условиях ветреного и сурового климата они легко доживают до 200 - 400 лет, а иногда и больше.

Структура почвы, её химический состав и влагосодержание также оказывает огромное влияние на то, как крепко дерево закрепилось в субстрате своими корнями. Как правило, на каменистых, хорошо дренированных и твёрдых почвах деревья более устойчивы, чем на чернозёмах, песчаных грунтах и в условиях болотистой местности. Поэтому на горных склонах и холмах часто можно встретить старые деревья, которым несколько сотен лет. Они за свою жизнь пережили множество штормовых и даже ураганных порывов ветра, но крепкая фиксация корневой системы позволяет им устоять под влиянием такой нагрузки. Наименее благоприятные условия складываются по берегам рек, озёр и морей, где вода часто подмывает корневую систему деревьев, и они теряют устойчивость даже при достаточно слабом ветре. Также низкая устойчивость деревьев наблюдается в районах с тонким слоем плодородной почвы и при искусственно навезённом грунте, который часто оказывается рыхлым и переувлажнённым. В чрезмерно влажном грунте даже крепкое и здоровое дерево может потерять сцепление с почвой и опрокинуться, особенно при хорошо развитой кроне, которая имеет высокую «парусность» в ветреную погоду. В таких случаях на фотографиях часто видно, что здоровая корневая система может достигать диаметра нескольких метров, однако это не спасает растение от гибели (см. рис. 2 для примера).

Рисунок 2. Огромная корневая система взрослого здорового дерева, которое подверглось действию сильного ветра.

Важным фактором, влияющим на устойчивость деревьев к сильному ветру являются условия их произрастания. В городской и сельской местности деревья обычно растут хаотически, небольшими группами, либо полосами; встречаются в большом количестве отдельно стоящие экземпляры. В лесах, где деревья стоят достаточно плотно друг к другу, интегральное влияние ветра нивелируется. Но у этого есть и обратная сторона медали. При сильных порывах (как правило, более 25 м/с) возникает эффект домино, когда при падении одного дерева, оно тянет за собой и другие рядом стоящие растения. Поэтому после прохождения сильных шквалов или торнадо в лесной зоне возникают масштабные ветровалы, хорошо заметные с высоты птичьего полёта. Напротив, деревья, произрастающие в одиночку или небольшими группами при достаточном освещении имеют более развитую корневую систему и более прочные стволы, поэтому выдерживают больший натиск ветра. Но в городах часто складываются ситуации, где корни деревьев ограничены или подрезаны дорогами, тротуарами, подъездными путями и фундаментами зданий. Это резко снижает устойчивость растения, даже если оно является здоровым и крепким с виду.

Кроме этого, на Земле существует немало мест с ветреным климатом. И не просто ветреным, а с преобладанием одного конкретного направления в течение всего года. В таком случае, деревья адаптируются к особенностям подобного климата, в результате чего их крона деформируется по направлению преобладающего ветра. В качестве примера, на рисунке 3 показаны растения в одном из регионов Новой Зеландии, где постоянно дуют сильные западные ветра. Как видим, крона растений сильно искривлена под натиском потоков воздуха, но это не даёт им упасть или быть сломленными.

Рисунок 3. Деформация деревьев под действием сильного и устойчивого ветра одного направления в Новой Зеландии.

Последние два фактора разберём вместе, поскольку они тесно взаимосвязаны между собой. При определённой скорости ветра сопутствующие метеорологические явления могут существенно увеличивать вероятность падения или слома дерева. Когда наблюдается налипание мокрого снега или гололёд, то в разы увеличивается нагрузка на ветви и саму крону. Наличие или отсутствие листвы, соцветий или почек у дерева также является критическим фактором.

С учётом грубого подхода, если пренебречь дополнительными ботаническими особенностями, можно построить функциональную зависимость вероятности падения дерева от сопутствующих метеорологических явлений и вегетации при заданной скорости ветра. Для визуальной наглядности, на рисунке 4 показана кривая, которая отображает воздействие ветра, скоростью 20 м/с и других явлений на устойчивость дерева (без уточнения его породы). Например, вероятность около 10% (0,1) соответствует зимнему периоду, когда грунт мёрзлый, нет листвы и никаких атмосферных осадков. Максимальная вероятность в 90 - 92% соответствует сильному налипанию мокрого снега или гололёду при наличии листвы и мягкой почве, то есть при самых экстремальных условиях. В описании к графику приведены промежуточные градации, отложенные по оси "Х". Разумеется, хвойные деревья имеют меньшую устойчивость к ветру при налипании снега или гололёде ввиду особенностей их кроны, а дуб может выдерживать значительные нагрузки без особых повреждений кроны. В общем случае хорошо заметно, что даже при опасной скорости ветра (согласно наставления по метеорологическим прогнозам, это ветер с порывами 15 – 24 м/с), могут наблюдаться значительные ветровалы как в городской местности, так и в лесистой. Степень повреждения будет сильно зависеть от вегетации растения и дополнительных метеорологических явлений, увеличивающих нагрузку на дерево и его сопротивление обдуваемому потоку воздуха. Если же присутствуют различные грибковые заболевания, наросты омелы, дупла и сухие ветви, то всё это усугубляет ситуацию, что приведёт к падению дерева при более щадящих условиях и меньшей скорости ветра.

Рисунок 4. Функциональная зависимость между устойчивостью дерева и влиянием различных метеорологических и фенологических факторов (автор И. Кибальчич). Пояснения по оси «Х»: 1 - отсутствие листвы, сухая мёрзлая почва, без осадков; 2 - отсутствие листвы, мягкая влажная почва, без осадков; 3 - отсутствие листвы, влажная почва, дождь; 4 - имеется листва, сухая почва, без осадков; 5 - отсутствие листвы, сырая почва, небольшой мокрый снег; 6 - имеется листва, влажная почва, без осадков; 7 - имеется листва, влажная почва, дождь; 8 – отсутствует листва, влажная почва, сильное налипание мокрого снега (≥ 35 мм); 9 - имеется листва, влажная почва, сильное налипание снега (≥ 35 мм); 10 - отсутствует листва, гололёд ≥ 20 мм; 11 - имеется листва (соцветия), влажная почва, гололёд ≥ 20 мм; 12 - имеется листва (соцветия), сложное отложение мокрого снега и гололёда ≥ 30 мм.

Таким образом, озеленение городской и сельской местности должно проходить с учётом климатических особенностей, метеорологических факторов и рисков, связанных с опасными явлениями погоды. Плановые и грамотные мероприятия по уходу за деревьями значительно снижают вероятность негативных последствий при прохождении активных циклонов и атмосферных фронтов в любую пору года.

Подготовил Игорь Кибальчич, кандидат географических наук, метеоролог.