УДК 551.578.482
Определение и классификация ослабленных слоёв в снежном покрове
© 2013 г. Е.С. Клименко
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова eklmnk@gmail.com
Статья принята к печати 8 мая 2013 г.
Генетические типы снежных лавин, ослабленные слои и контакты, снежный покров, структура снега, устойчивость снежного покрова.
Genetic types of snow avalanches, snow cover, snowpack stability, snowрасk structure, weak layers and interfaces.
Рассматривается роль структуры снега в лавинообразовании и вводится понятие «структурной неустойчивости» снежного покрова, изучение которой необходимо для расширения знаний о механизмах схода снежных лавин. Под структурной неустойчивостью понимается наличие в структуре снежной толщи ослабленного слоя или контакта. Текущее состояние и история формирования снежного покрова на склоне определяют форму отрыва и характер формирующейся лавины. Поэтому генетическое разнообразие снежных лавин свидетельствует, что в снеге может наблюдаться структурная неустойчивость разных типов. Итогом выполненного аналитического обзора литературы и собственных полевых наблюдений стала классификация ослабленных слоёв в снеге. Слои классифицируются на основе их связности, причин для возникновения первичного нарушения, а также условий образования. Представленная классификация - необходимое звено в создании методики оценки устойчивости снежного покрова с помощью современных моделей развития снега.
Появление физических моделей высокого разрешения, воспроизводящих эволюцию снежного покрова, позволяет изучать его на качественно новом уровне. Такие модели служат источником детальной информации о строении, структуре, физических и механических свойствах снега в любой момент времени при моделировании. Несмотря на неизбежные допущения при физическом описании процессов в снеге и большое число эмпирически полученных зависимостей и коэффициентов, целесообразность использования таких моделей в практике снеголавинных исследований была доказана неоднократно [8, 16, 21, 24 и др.]. Одна из ключевых задач лавиноведения — оценка устойчивости снега на склоне для дальнейшего использования полученных результатов в практике прогноза снежных лавин. Применение физических моделей развития снега [18, 21 и др.] для поиска ослабленных слоёв и оценки их устойчивости может значительно расширить существующие возможности за счёт высокого временнбго разрешения, точности и разнообразия получаемых с помощью моделей данных. Однако создание методики оценки устойчивости снега на основе физических моделей требует пересмотра, уточнения и структурирования знаний о механизмах потери устойчивости, имеющих место в снежном покрове.
Постановка задачи
Устойчивость снежного покрова — это его способность сохранять равновесие на склоне под действием гравитационных сил и разнообразных внешних факторов [3]. Сход лавины должен быть заранее подготовлен внутри снежной толщи, что проявляется в наличии ослабленного слоя или контакта в структуре снега, т.е. в его «структурной неустойчивости». Ослабленным (неустойчивым, лавиноопасным) будет называться любой слой или контакт, присутствие которого в структуре снега может стать причиной нарушения его устойчивости и привести к образованию лавины.
Структурная неустойчивость снежной толщи напрямую не зависит от морфометрии подстилающего склона, т.е. снежный покров может иметь неустойчивую структуру, даже если он лежит на горизонтальной поверхности, что подтверждается возможностью его внезапной просадки при приложении определённой нагрузки [4, 20] или же часто наблюдаемой малой связности верхнего горизонта [6, 11]. При наличии ослабленного слоя в структуре снега возможность образования снежной лавины определяется морфометрией лавиноопасного склона и распределением на нём снега. Таким образом, комплексная оценка
устойчивости снега и возможности схода снежной лавины требует последовательного решения двух задач: 1) исследования структурной неустойчивости снежного покрова; 2) анализа напряжённого состояния снежного пласта и оценки удерживающих сил, действующих по его контурам и определяемых морфометрией лавиносбора. Вторая задача была рассмотрена в ряде математических моделей, описывающих условия равновесия и устойчивости снежного пласта на склоне [2, 17 и др.].
В настоящей работе оценивается влияние структуры снега на его устойчивость. Мы предприняли попытку комплексного анализа условий, складывающихся внутри снега в момент образования лавины, механизмов потери устойчивости и типов лавинообразования. До сих пор причины возникновения и разрушения ослабленного слоя или контакта в структуре снега не были достаточно детально описаны. В основе исследования лежит положение, что форма отрыва и характер формирующейся лавины определяются текущим состоянием снежного покрова на склоне и предысторией его развития. Это нашло отражение в существующих генетических классификациях снежных лавин. Многообразие генетических типов лавин определило цель работы, состоящей в систематизации знаний о причинах возникновения ослабленных слоёв и выявлении механизмов нарушения устойчивости снега всех возможных типов.
Всестороннее понимание процессов перехода снежной толщи из устойчивого состояния в неустойчивое имеет ключевое значение при выборе количественных критериев оценки устойчивости снежного покрова. Важно, что наиболее часто используемые критерии (в частности, прочность снега на сдвиг) подходят далеко не для всех типов ослабленных слоёв и связанных с ними лавин ввиду их широкого генетического разнообразия. В частности, за пределами анализа остаются лавины свежевы-павшего снега [1], грунтовые [11], адвекционные и инсоляционные [1].
Классификация ослабленных слоёв в снежном покрове на основе условий их образования
В настоящее время разработан ряд генетических классификаций снежных лавин [1, 6, 7, 10, 15 и др.], и каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее известна, несмотря
на некоторое нарушение классификационных принципов, классификация В.Н. Аккуратова (1958 г.) [1], где предпринята попытка установить прямую связь между внешними и внутренними условиями, вызывающими сход лавины. Все существующие классификации прежде всего стремятся связать факт образования лавины с метеорологическими явлениями, которые предшествовали или сопровождали её сход, однако в них можно найти важные ссылки на местоположение первичного нарушения в структуре снега, которое приводит к образованию лавин того или иного типа. Всего было выделено шесть видов таких местоположений: в поверхностном слое; на контакте свежевыпавшего снега со старым; внутри разрыхлённого слоя в старом снеге; внутри водонасыщенного слоя в старом снеге; внутри мокрого слоя в старом снеге; на контакте снег—грунт.
Отметим, что в данной работе под разрыхлёнными слоями понимаются только ослабленные слои сухого снега с водосодержанием (Liquid Water Content) LWC, равным 0%, как эпигенетические (состоят из гранёных кристаллов или глубинной изморози), так и сингенетические (погребённые слои поверхностной изморози и атмосферных кристаллов). Ослабленные слои, разрыхлённые в результате динамического воздействия фильтрующейся воды, будут называться мокрыми (LWC > 0%). Кроме того, ряд ослабленных слоёв мокрого снега, характеризуемых высокой степенью насыщения водой (LWC > 8% [19]), будут определяться как водонасыщенные.
В таблице представлены выделенные типы местоположений первичного нарушения в структуре снега и связанные с ними генетические типы лавин, когда-либо упомянутые или описанные в литературных источниках. При составлении таблицы использовались оригинальные определения генетических типов лавин, представленные в первоисточниках. Материалы данной таблицы позволяют утверждать, что нарушения в снеге, вызывающие сход лавины определённого генезиса, как правило, имеют в структуре снега чёткое фиксированное положение, приуроченное к ослабленным слоям. Детальный анализ физических и механических свойств, характерных для неустойчивого слоя, а также внешних и внутренних условий образования таких слоёв позволил создать комплексную классифи-
Местоположения первичного нарушения в структуре снежной толщи (серый фон), приводящего к образованию лавин разных генетических типов
Местоположение первичного нарушения в структуре снежной толщи
в поверхностном на контакте на кон- в старом снеге
Генетический тип лавины свежевыпав- такте внутри внутри водо- внутри слоя
слое шего снега снег— разрыхлён- насыщенно- мокрого
со старым грунт ного слоя го слоя снега
Выделяются в существующих генетических классификациях
Из свежевыпавшего снега [1]
Из метелевого снега [1]
Сублимационной перекристаллизации [1]
Температурного сокращения снега [1]
Инсоляционные [1]
Адвекционные [1]
Смешанные [1, 6, 10]
Встречаются в различных литературных источниках
Ветрового разрыхления [6]
Вызванные скачком атмосферного давления [7]
Температурного расширения [14]
Сходящие по погребённому слою поверх-
ностной изморози [22, 24 и др.]
Сходящие по погребённой мягкой снежной
доске [4, 13, 24]
Зимние грунтовые [6, 10]
Водоснежные потоки с гравитационным
механизмом образования [5]
Первоначально ослабленные слои разделяются исходя из связности слагающего их снега, которая полностью определяет форму отрыва возможной лавины. Чаще всего снег на склоне имеет хорошо развитую ледяную решетку (зёрна и связи между ними), что способствует площадному отрыву лавины. Площадной о т р ы в снежной мас сы п р оисход и т л и б о по ослабленному слою или контакту внутри снежного покрова, либо по границе снег—грунт и не р аз ры вно связ ан с о бр аз ован ием пове рх-ности скольжения (сдвига) — плоскости, вдоль которой вышележащий п ласт снега сдвигается относительно его неподвижного основания. Доказано, что при образовании лавины с площадным отрывом сначала формируется трещина в п лоскости сдвига (поверхность скольжения), которая по мере увеличения площади генерирует повышенное ра
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.