Лёд и Снег • 2014 • № 3 (127)
УДК 551.578.46
Экспериментальные исследования коэффициента эффективной теплопроводности снежного покрова на Западном Шпицбергене
© 2014 г. Н.И. Осокин, А.В. Сосновский
Институт географии РАН, Москва osokinn@mail.ru
Field investigation of efficient thermal conductivity of snow cover on Spitsbergen
N.I. Osokin, A.V. Sosnovsky
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow
Статья принята к печати 25 декабря 2013 г.
Глубинная изморозь, коэффициент теплопроводности, плотность снега, термическое сопротивление снега.
Coefficient of heat conductivity, deep hoar, snow density, thermal resistance of a snow.
Представлены результаты полевых исследований коэффициента эффективной теплопроводности снега разной структуры и плотности, выполненные весной 2013 г. в районе метеостанции Баренцбург. Их обработка с помощью уравнения Фурье позволила получить зависимости коэффициента теплопроводности от температуры снега в режимах охлаждения и нагревания поверхности снежного покрова. Установлено увеличение коэффициента эффективной теплопроводности снега с ростом его температуры в режиме охлаждения поверхности и уменьшение значений -в режиме нагревания поверхности. Возможно, это обусловлено тем, что при нагревании поверхности снежного покрова поток водяного пара направлен внутрь, поэтому с понижением температуры снега возрастает конденсация водяного пара. Это приводит к дополнительному повышению температуры и создаёт эффект роста коэффициента теплопроводности при более низких температурах снега. При охлаждении поверхности этот эффект отсутствует, а при понижении температуры снега вклад диффузии водяного пара в коэффициент эффективной теплопроводности снижается, что приводит к его уменьшению. Среднее значение коэффициента эффективной теплопроводности глубинной изморози плотностью 280 кг/м3 составляет 0,12 Вт/(м-К), что в 3-4 раза меньше, чем зернистого смёрзшегося снега плотностью 370-390 кг/м3.
This paper presents results of field investigations of coefficient of efficient thermal conductivity of snow with different structures and densities. Observations were performed in spring of 2013 in the vicinity of meteorological station Barentsburg. The data obtained were processed by means of the Fourier technique that allowed deriving relationship between thermal conductivity and snow temperature in regimes of cooling and warming of the snow cover surface.
Введение
Теплопроводность снега — важная теплофи-зическая характеристика, в значительной мере определяющая теплообмен в системе атмосфера — снежный покров — почвогрунт [2, 3, 11]. Она влияет на устойчивость мёрзлых пород, в том числе и на развитие склоновых процессов в горах [10]. Теплопроводность снега влияет на градиент температуры в снегу, который определяет метаморфизм снега и его структуру, а последняя, в свою очередь, обусловливает изменение теплопроводности. Такая циклическая зависимость дополняется многими другими факторами развития снежной толщи. Каждая компонента снега (ледяные кристаллы, водяной пар, воздух) влияет на его эффективную теплопроводность как самостоятельно, так и взаимодействуя друг с другом. Вклад этих составляющих в эффективную теплопроводность снега зависит от многих параметров — времени взаимодействия, температуры, градиента температуры, структурных особенностей. Эффективная теплопроводность всей снежной толщи зависит также от стратиграфии снежного покрова, суточных колебаний температуры воздуха, температуры основания. Однако при всём разнообразии факторов, опре-
деляющих эффективную теплопроводность снега, главным параметром остаётся плотность снега.
Первые зависимости эффективной теплопроводности снега от плотности получены ещё в конце XIX в. [14]. С тех пор появилось много формул для расчёта теплопроводности снега разной структуры. При этом зависимость эффективной теплопроводности снега от температуры отражает лишь небольшая часть формул. Эффективную теплопроводность снега определяют разными методами: с помощью игольчатых зондов, измерителей теплового потока, вычислительных методик, в том числе с учётом микротомографии [13]. Использование этих методов позволяет исследовать влияние суточных колебаний температуры на метаморфизм снежного покрова [12], оценить вклад температуры и градиента температуры в теплопроводность [9]. В последние годы определённое внимание уделяется анизотропии теплопроводности снега [13]. Отметим, что, несмотря на большой интерес к этому вопросу, проблема определения теплопроводности снега и её изменчивости в зависимости от разных факторов остаётся открытой. Одна из причин этого — большой разброс значений эффективной теплопроводности снега [8]. Именно поэтому
измерение эффективной теплопроводности снега в естественных условиях и анализ полученных результатов актуальны до настоящего времени.
Здесь и далее рассматривается коэффициент эффективной теплопроводности снега (который будем называть коэффициентом теплопроводности) — комплексный параметр, характеризующий все теплофизические процессы в снежном покрове: кондуктивную теплопроводность; диффузию водяного пара; сублимацию и конденсацию; теплообмен между ледяными кристаллами и воздухом. Цель нашего исследования — определить коэффициент теплопроводности снега разной структуры и температуры по данным полевых измерений температурного режима снежного покрова на Западном Шпицбергене весной 2013 г.
Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования проводились с 12 по 21 апреля 2013 г. Толщина снежного покрова была более 1 м. Снег представлен слоями разной структуры и плотности. Температура воздуха во время экспериментальных исследований колебалась от -14 до —8 °С. Суточный перепад температуры — от 2 до 4 °С. На высоте 5 см над снежным покровом в утренние часы температура воздуха была на 1,5—2 °С ниже, чем по данным метеостанции Баренцбург.
Измерялась температура снега при помощи температурных логгеров 1ВиИош В81922Ь/Б81922Т; точность измерения температуры термохроной составляла 0,0625 °С. Центры термохрон находились на расстоянии 5 см друг от друга. Диаметр активной части термохроны равен 12 мм при толщине 4 мм. Таким образом, измерялась средняя температура в слое снега глубиной (шириной) 1 см; микроколебания температуры на контактах ледяных кристаллов, размером 0,1—4 мм, с воздухом осреднялись. Интервал записи температур составлял 20 мин.
Измерения проводили как с горизонтальной дневной поверхности снежного покрова, так и в вертикальной стенке шурфа (рис. 1). При измерении распределения температуры в слое метелево-го снега (через сутки после метели) датчики помещали в снежный покров с дневной поверхности на глубину 3, 8 и 13 см. С целью искусственного изменения температуры поверхности снежного покрова сверху на исследуемую поверхность помещали цилиндрический сосуд, наполненный водно-ледовой смесью. По окружности основания сосуда диаметром 20 см на глубине 20 см размещали теплоизо-лятор для предотвращения бокового оттока тепла.
1
Рис. 1. Вид шурфа:
1 — температурный датчик Digitalthermometer, GTH 175/Pt;
2 — расположение температурных логгеров iButtons DS1922L/ DS1922T; 3 — вид температурных логгеров iButtons DS1922L/ DS1922T
Fig. 1. A view of the snow pit:
1 - temperature sensor Digitalthermometer, GTH 175/Pt; 2 - location of temperature logger iButtons DS1922L/DS1922T; 3 - view of temperature logger iButtons DS1922L/DS1922T
Температура определённого типа снега измерялась в стенке шурфа на глубине 5, 10 и 15 см. При измерении температурного режима в глубине вертикальной стенки шурфа датчики помещали в слой снега выбранной структуры. Температура снега в стенке шурфа изменялась вследствие суточного хода температуры воздуха. Наибольший перепад температур между крайними термо-хронами составлял 6 °С при средних значениях 2-4 °С, что соответствовало градиенту температуры 20-40 °С/м. В ряде случаев температура, полученная с помощью термохрон, контролировалась температурным датчиком (Digitalthermometer, GTH 175/Pt) с длиной иглы 10 см и диаметром
2 мм при точности измерения 0,1 °С. Различие температуры, измеренной с этим датчиком и с помощью термохрон в стенке шурфа на глубине 10 см, как правило, не превышало 0,2 °С.
Распределение температуры по глубине снежной толщи измеряли на разной глубине в стен-
ке шурфа (рис. 2). 13 апреля 2013 г. распределение температуры в стенке только что пройденного шурфа на глубине 10 и 20 см от его боковой поверхности, измеренное в течение часа, практически совпадало и представлено кривой 1 на рис. 2. Через сутки распределение температуры на глубинах 10 и 20 см изменилось (кривые 2 и 3 на рис. 2), тогда как на глубине 60 см оно было таким же, как на кривой 1 (см. рис. 2). Синусообразное поведением кривой 2 (точки на глубине 20 см от стенки шурфа) обусловлено слоистостью снежного покрова. Вершина синусоиды, направленная в сторону более низкой температуры, приурочена к слою наста повышенной по сравнению с окружающими слоями плотностью. По этому слою идёт более интенсивный теплообмен.
В течение суток температура снега на глубине 10 см от стенки шурфа понизилась на 3—6 °С (кривые 1 и 3). При этом на глубинах 40—85 см от дневной поверхности температура стенки шурфа опустилась до -11 ^—12 °С (кривая 3 на рис. 2). Поэтому вертикальный поток тепла на глубине 10 см от поверхности стенки шурфа более чем на порядок меньше горизонтального. В основании шурфа температура резко повышается от -10 до —6 °С. Характеристика и плотность снежных слоёв приведены в табл. 1.
Коэффициент температуропроводности рассчитывался на основании уравнения теплопрово-
Табпица 1. Плотность бинах от поверхности
и характеристика снега на разных глу-
Глубина, см Плотность, кг/м3 Характеристика снега
0-8 220 Метелевый
8-20 370 Мелкозернистый смёрзшийся
20-42 292 Мелкозернистый рыхлый
42-44 423 Наст толщиной 2 см, армированный ледяной прослойкой в 1 мм
44-55 283 Глубинная изморозь рыхлая
55-57 450 Наст толщиной 2 см, смёрзшиеся кристаллы, ледяная прослойка — 2 мм
57-75 393 Среднезернистый снег смёрзшийся
75-90 35
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.