УДК 551.345
Влияние снежного покрова на промерзание и протаивание грунта на Западном Шпицбергене
© 2013 г. |А.Б. Шмакин, Н.И. Осокин, А.В. Сосновский, Э.П. Зазовская, А.В. Борзенкова
Институт географии РАН, Москва alexandr_sosnovskiy@mail.ru
Статья принята к печати 17 июля 2013 г.
Многолетняя мерзлота, промерзание и протаивание грунта, снежный покров, температурный режим грунта, Шпицберген.
Ground freezing and thawing, ground thermal regime, permafrost, snow cover, Svalbard.
Рассматриваются результаты натурных измерений и расчётов влияния снежного покрова на промерзание и протаивание грунта на Западном Шпицбергене. Установлено, что ещё до схода снежного покрова грунт протаивает на десятки сантиметров, в результате чего увеличивается толщина талого слоя. Так, под снегом, толщиной 40 см, глубина протаивания грунта составляет 35-50 см. По мнению авторов, это может быть вызвано талой водой с небольшой положительной температурой, фильтрующейся под снежным покровом в приповерхностной части грунта.
Введение
Значительная роль снежного покрова в тепловом режиме деятельного слоя грунта хорошо известна благодаря множеству исследований, которые ведутся, как минимум, с XIX в. Так, в работе [4] отмечается, что сложный характер современной динамики верхних горизонтов криолитозоны определяется совокупным воздействием температуры воздуха и теплозащитной роли снежного покрова, который играет исключительную роль в промерзании почв и грунтов и формировании температурного режима в горных породах [1]. В меньшей степени снежный покров влияет на протаивание грунта, что обусловлено относительно небольшим периодом его таяния по сравнению с длительностью залегания. Однако в районах с большой толщиной снежного покрова и низкими положительными температурами воздуха это влияние может быть значительно.
В период таяния влияние снежного покрова заключается в теплоизоляции поверхности почвы от положительных температур воздуха и поддержании температуры на границе снег-грунт на уровне 0 °С. Вместе с тем значительная толщина снежного покрова препятствует выхолаживанию грунта в холодный период. Аналогична и роль сезонных снежников: на участках, освобождённых от снега, с ростом расстояния от края снежника растёт глубина протаивания грунта. Однако обычно считается, что суще-
ственного протаивания многолетнемёрзлого грунта под тающим снегом не происходит, и при расчётах предполагается, что грунт протаивает только после схода снежного покрова.
В работе [5] рассмотрены особенности геологической деятельности снежников в пределах трёх основных географических поясов, где ежегодно формируется устойчивый снежный покров. При этом отмечается, что в субарктическом поясе сезонный промёрзший слой почвы исчезает после схода снежного покрова, тогда как в умеренном поясе, когда промерзание почвы слабое, он часто исчезает ещё до схода снежного покрова. Хотя и в районах распространения многолетней мерзлоты отмечено оттаивание грунта под снежным покровом на небольшую глубину. Так, Н.А. Солнцев исследовал снежник недалеко от берега моря на п-ове Скуратова (Западный Таймыр) в период интенсивного таяния [7]. Под слоем мокрого фирна он обнаружил оттаявшую почву, толщиной 4 см, ниже которой находился мёрзлый грунт. Оттаивание грунта под снежным покровом на небольшую глубину отмечали W.V. Lewis в Исландии [9] и L.H. McCabe на Шпицбергене [10] ещё в 1930-х годах, однако в указанных случаях протаивание не превышало нескольких миллиметров.
Согласно нашим результатам, на горных склонах или в их основании, в зоне распространения многолетнемёрзлых пород возможна значительно ббльшая глубина протаивания грунта
под снежным покровом (сравнимая с толщиной деятельного слоя), что, возможно, объясняется теплоотдачей от талой воды при её фильтрации в толще грунта вниз по склону. Таких толщин протаивания грунта под снегом для зоны многолетней мерзлоты в литературе до сих пор описано не было. На протяжении ряда лет в районе российского посёлка Баренцбург (Западный Шпицберген) сотрудниками Института географии РАН проводятся мониторинг температурного режима и глубины протаивани я грунта на разных высотах над уровнем моря, а также исследование влияния поверхностных покровов на теплофизическое состояние деятельного слоя. В настоящей статье изложены результаты натурных измерений и расчётов по влиянию снежного покрова на промерзание и протаива-ние грунта на Западном Шпицбергене.
Влияние снежного покрова на температурный режим грунта
Климатические условия на архипелаг е Ш п и ц б е р г е н о т л и ч а ю т с я о т н о с и т е л ь н о небольшой изменчивостью положительной температуры воздуха летом и частыми и значительными колебаниями температуры воздуха зимой. При этом максимальная толщина снежного покрова, плотностью порядка 350 кг / м3, часто превышает 1 м. Для определения вли-я н и я сне ж но г о п о кр о в а н а т е м п е р ат ур н ы й режим грунта в 2010—2011 гг. в двух точках с разной тол щи ной снежного покрова в г рунте были размещены самопишущие датчики температуры с точностью измерений 0,5 °С (термо-хроны DS1921G-F5 — изолированные датчики в виде дисков, диаметром около 15 мм и толщиной около 4 мм).
Первая серия термохрон установлена в грунте 4 августа 2010 г. на расстоянии 100 м от гидрометеостанции (ГМС) Баренцбург и снята 24 июля 2011 г. Участок закладки термохрон находился на высоте 80 м над ур. моря. Термо-хроны были помещены на глубину 10, 20, 40, 60 и 70 см, а также на поверхности грунта — подо мхом, толщиной 4 см. Максимальная толщина снежного покрова, по данным ГМС Баренцбург, в сезоне 2010/11 г. составляла 183 см. Вторая серия термохрон установлена 1 августа 2010 г. в долине Грендален, в 5 км на юг от ГМС Баренцбург, на высоте 18 м над ур. моря. С помощью термохрон фиксировалась температура грунта с интервалом 4 часа: 1) на поверх-
ности грунта под моховым покровом, толщиной 1 см; 2) над поверхностью грунта, на высоте 10 см; 3) на глубинах 10, 20, 40, 60 и 80 см. На момент снятия термохрон 24 июля 2011 г. грунт протаял на глубину около 80 см.
Результаты измерений показали, что мини-ма л ьно е значен ие тем пер ат уры пов е рхно с т и г р у н т а п о д с н е ж н ы м п о кр о в о м , т о л щ и но й 150 см, составляло -3,5 °С. Разница между температурой воздуха на метеостанции и температурой поверхности грунта была более 20 °С (рис. 1, а). При этом температура грунта на
Рис. 1. Температурный режим по данным ГМС Баренцбург: а — толщина снега, температура воздуха и поверхности грунта; б — температура грунта на глубине 60 см; 1 — толщина снега; 2, 4 — температура поверхности грунта и температура грунта на глубине 60 см: 2 — при максимальной толщине снега 150 см, 4 — при толщине снега менее 15 см; 3 — температура воздуха по данным ГМС
Fig. 1. Temperature regime according to the data of the meteorological station Barentsburg:
a — snow depth, air temperature, and ground surface temperature; б — ground temperature at 60 cm depth: 1 — snow depth at the meteorological station; 2 and 4 — ground surface temperature и ground temperature at 60 cm depth: 2 — under maximum snow depth of 150 cm, 4 — under the snow depth less than 15 cm; 3 — air temperature according to the data of meteostation
Даты
10.08.2010 18.11.2010 26.02.2011 06.06.2011
Рис. 2. Термоизоплеты грунта:
1, 3 — при толщине снежного покрова до 15 см; 2 — при максимальной толщине снежного покрова 150 см; 1 — температура грунта -14 °С; 2, 3 — температура грунта —1 °С Fig. 2. Thermoisopleths of the ground:
1, 3 — under the snow depth of 15 cm; 2 — under the maximal snow cover of 150 cm; 1 — ground temperature —14 °С; 2, 3 — ground temperature —1 °С
глубине 60 см не опускалась ниже —2,0 °С (см. рис. 1, б). Через 0 °С температура грунта на этой глубине переходит к 4 ноября 2010 г., т.е. через 23 дня после начала промерзания грунта. Толщина снега на тот момент на ГМС Баренцбург достигала 45 см.
В районе Грендален, в месте установки второй серии термохрон, снег частично сносился под действием ветра. Перепад между температурой воздуха на ГМС Баренцбург и температурой поверхности грунта под неболь-
Температура грунта, °С
■30 -20 -ю о ю
Рис. 3. Распределение температуры грунта по глубине в районе ГМС Баренцбург (2, 4) и в районе Грендален (1, 3): 1, 2 — в холодный период 4 февраля 2011 г.; 3, 4 — в тёплый период 5 августа 2010 г.
Fig. 3. Time series of deep ground temperature in Barentsburg
area (2, 4) and in Grendalen area (1, 3):
1, 2 — on 04.02.2011 (cold season); 3, 4 — on 05.08.2010 (warm season)
шим снежным покровом составлял около 2 °С. Такому перепаду температур соответствует толщина снежного покрова менее 15 см. Минимальная температура поверхности грунта составила -28,5 °С, а минимальная температура грунта на глубинах 60 и 80 см через трое суток достигла значений -16,5 и -15,0 °С соответственно. Температура грунта на глубине 80 см в летний период не превышала -0,5 °С, а на глубине 60 см поднималась до 0,5 °С.
В районе заложения термохрон первой серии перепад температур воздуха и поверхности грунта составил 20 °С на 150 см снега, т.е. около 0,13 °С на 1 см. На Шпицбергене, в районе проведения измерений, плотность снега через 1-2 месяца после установления снежного покрова достигает 300 кг/м3 вследствие ветрового уплотнения и оттепелей и в среднем за холодный период превышает 350 кг / м3. В районе за ложен ия термохрон второй серии (в долине Грендален) разница температуры п ов е р х но с т и г р у н т а и в о з д у ха (п о д а н н ы м ГМС Баренцбург) менялась на протяжении холодного периода от 0 до 6 °С. Термоизоплеты т е м п е р ат у р ы г р у н т а п р и р а з н о й т о л щ и н е снежного покрова представлены на рис. 2. Из него видно, что при толщине снежного покрова до 15 см требуется около двух недель д л я ох л а ж ден и я г рун та до -1 °С н а гл уби не 60 см, тогда как при максима л ьной тол щине снежного покрова (150 см) на это потребуется в 4 раза больше времени.
Распределение температуры грунта по глубине в районе ГМС Баренцбург и в долине Грендален в тёплый (5 августа 2010 г.) и холодн
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.