научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГЛУБИННОЙ ИЗМОРОЗИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГЛУБИННОЙ ИЗМОРОЗИ»

Лёд и Снег • 2013 • № 3 (123)

УДК 551.322

Экспериментальное определение эффективной теплопроводности глубинной изморози

© 2013 г. Р.А. Чернов

Институт географии РАН, Москва rob31@mail.ru

Статья принята к печати 27 февраля 2013 г.

Глубинная изморозь, зернистый снег, коэффициент теплопроводности.

Coefficient of heat conductivity, depth hoar, granular snow.

По результатам лабораторных исследований определены значения эффективной теплопроводности перекристаллизованного снега. Установлены существенные различия в величине коэффициента эффективной теплопроводности глубинной изморози и зернистого снега при плотности р от 0,15 до 0,45 г/см3 для снежного покрова Подмосковья. Получена эмпирическая зависимость коэффициента эффективной теплопроводности глубинной изморози от плотности Kef = 0,636р - 0,023 Вт/(м °С). На территории Подмосковья и прилегающих областей горизонты глубинной изморози составляют 50-90% толщины снежной толщи, поэтому теплофизи-ческие свойства глубинной изморози в значительной степени определяют термическое сопротивление снежного покрова и влияют на теплообмен в системе атмосфера - снежный покров - подстилающие породы.

Введение

Теплозащитные свойства снежного покрова определяются толщиной снега и коэффициентом его эффективной теплопроводности К^. Последний используется при расчёте глубины промерзания почв и грунтов и оценке тепловых потоков в системе атмосфера — снежный покров — подстилающие породы при моделировании климатических изменений. Необходимый параметр, входящий в теплофи-зические уравнения, — коэффициент эффективной теплопроводности снежного покрова, который учитывает кондуктивный и диффузионный теплопере-нос. Для Европейской части России величина изменяется в широком диапазоне [3, 9], что создаёт определённые трудности при оценке теплозащитных свойств снежного покрова.

Современные представления о метаморфизме снежного покрова указывают на тесную взаимосвязь между перекристаллизацией снега и тепломассопе-реносом в снеге [1, 3, 6]. Однако влияние метаморфизма снега на его термические свойства изучено слабо. Большинство известных зависимостей связывают теплопроводность снега с его плотностью, не учитывая при этом изменчивость структуры снежного покрова. По-видимому, здесь играет роль разный подход в рассмотрении снега как объекта изучения. Так, при исследовании структурных преобразований в снеге снежную толщу анализируют как совокупность кристаллов. В случае теплофизи-ческого подхода снежный покров описывается как сплошная многофазная среда. Методы исследований при этом также различаются.

Исследования теплопроводности снега показали, что такие составляющие теплообмена в снежном покрове, как кондукция, диффузия водяного пара и конвекция, по-разному влияют на эффективную теплопроводность. Изучение теплопроводности перекристаллизованного снега, которые провёл Де Кервен, показало, что теплоперенос в основном происходит за счёт макродиффузии, доля кондуктивности составляет 25%, а вклад конвекции вообще ничтожно мал. По мнению З. Иосида, кондуктивный перенос тепла в снеге даёт более существенный вклад — не менее 2/3 значения эффективной теплопроводности [4]. Аналогичные результаты получены Г.К. Сулаквелидзе и Г.М. Кува-евой при исследованиях снежного покрова Большого Кавказа [5] и А.В. Павловым на Загорском стационаре [9]. По мнению многих отечественных исследователей второй половины ХХ в., плотность и температура снега — основные параметры, влияющие на его теплопроводность, а структура снега существенно не влияет на этот параметр. Однако экспериментальные исследования авторов работы [10] показали, что структура снега заметно влияет на эффективную теплопроводность.

Косвенно это обнаруживается при сравнении самых известных в научной литературе эмпирических зависимостей для расчёта эффективной теплопроводности снега, полученных для разного типа снега в различных географических условиях [3, 4, 9, 10]. В диапазоне плотности снега от 0,05 до 0,30 г/см3 различия в оценке Kef при одинаковой плотности у разных авторов достигают 100-250%. Таким обра-

зом, неопределённость в оценке термических свойств снежного покрова крайне высока. Поэтому определение региональных значений Ке/ для снега различного типа — важная практическая задача. Глубинная изморозь — наиболее значимый и широко распространённый тип снега. В данной работе рассматриваются результаты экспериментального определения эффективной теплопроводности глубинной изморози, а также свежевыпавшего и зернистого снега. Образцы снега для исследования отбирали в Подмосковье в зимы 2010/11 и 2011/12 гг.

Особенности метаморфизма снежного покрова Подмосковья

Образование горизонтов глубинной изморози в снежном покрове наиболее характерно для регионов с континентальным климатом. Однако глубинная изморозь — частое явление на территориях, где зимние условия менее суровы, например в средней полосе Европейской части России. Известно, что горизонты глубинной изморози имеют относительно небольшую теплопроводность и препятствуют уплотнению снега [4] из-за их жесткой вертикальной текстуры, способной нести большую нагрузку. При развитии глубинной изморози улучшаются теплозащитные свойства снежного покрова, в результате чего верхний слой почвы не подвергается выхолаживанию. Наиболее заметные структурные изменения в снежном покрове Подмосковья происходят в первые недели после его установления вследствие процессов сублимационной перекристаллизации [2]. Интенсивной перекристаллизации снежного покрова способствуют малая толщина снега, суточные и погодные колебания температуры воздуха, а также запас влаги в почве, сохранившейся с осени. По данным автоматических регистраторов, температурный градиент в снежном покрове составляет 0,17—0,20 °С/см в декабре и уменьшается до 0,05-0,03 °С/см в феврале и марте в связи с накоплением снежного покрова и увеличением его толщины. Аналогичные значения температурного градиента получены с помощью автоматических регистраторов температуры зимой 2011/12 гг. Величина диффузионного потока водяного пара, соответствующая среднему градиенту температуры в снежном покрове в начале зимы, оценивается не менее 0,005 г/см2 в сутки, что втрое больше порогового значения величины диффузии для начала роста скелетных форм кристаллов [5].

С 2010 по 2013 г. проводились регулярные наблюдения за стратиграфическим строением снежного покрова на полигоне в Южном Подмос-

ковье (дер. Голохватово). Наблюдения показали, что в случае типичных зим через 3-4 недели после формирования устойчивого снежного покрова повсеместно образуются горизонт глубинной изморози, который препятствует уплотнению снежной толщи. В зимы с продолжительными холодными периодами отмечается слабое уплотнение снега, о чём свидетельствуют значения средней плотности снежного покрова в конце зимнего периода, равные 0,20-0,24 г/см3. Наиболее интенсивно уплотнение снега происходит при оттепелях. При этом реже-ляционное округление и смерзание зёрен снега затрагивают лишь верхний его слой, толщиной около 5-15 см. Для лесных массивов и на окраинах полей в горизонтах глубинной изморози преобладают кубкообразные ледяные кристаллы. К концу зимы кристаллы в глубинной изморози достигают 3-5 мм в поперечнике и слагают нижний слой снежной толщи. Над ним лежит слой мелкой глубинной изморози со средним размером кристаллов 1,5-2 мм. На открытых пространствах водоразделов и выпуклых формах рельефа, где толщина снежного покрова невелика, в разрезе встречаются столбчатые формы кристаллов. Интенсивная перекристаллизация при малой толщине снежного покрова на возвышенных участках способствует формированию горизонта крупных столбчатых кристаллов глубинной изморози, размером до 10-15 мм, что наблюдалось зимой 2011 и 2012 г.

В последние годы зимы в Подмосковье были устойчиво холодными с редкими периодами потепления. Развитие снежной толщи имело преимущественно характер разрыхления, сопровождавшегося образованием мощного горизонта глубинной изморози. В снежных шурфах, удалённых друг от друга на десятки километров, в стратиграфических разрезах обнаружены схожие черты. По данным снегомерных съёмок, проведённых в период максимальных сне-гозапасов в марте 2012 г., сформирован общий усреднённый стратиграфический спектр снежного покрова, представленный на рис. 1. Диаграмма показывает отношение толщины определённого типа снега к общей толщине снежного покрова. Использовалось описание 50 шурфов для различных участков снегосъёмки: луговой участок, лиственный лес, лесная опушка. Отметим, что горизонты глубинной изморози в снежном покрове занимали 60-65% его толщины. Доля мелко- и среднезерни-стого снега составляла около 30%, оставшаяся часть была представлена свежевыпавшим снегом. Отдельные снегомерные измерения, выполненные в Подмосковье в 2001-2011 гг., показывают схожий

Рис. 1. Диаграмма стратиграфического спектра снежного

покрова в Подмосковье (28 февраля 2012 г.):

а - поле; б - лес; в - лесная поляна; 1 - свежевыпавший снег;

2 - зернистый снег; 3 - глубинная изморозь

Fig. 1. Diagram of stratigraphie range of the snow cover in the

Moscow region (28.02.12):

а - field; б - forest; в - forest glade; 1 - new snow; 2 - granular snow; 3 - depth hoar

характер стратиграфического спектра, за исключением зим 2004/05 и 2007/08 г., которые были малоснежными и тёплыми. Таким образом, в Подмосковье в результате частой смены погодных условий формируется стратифицированная снежная толща, которая представлена двумя основными горизонтами: зернистым снегом и глубинной изморозью.

Методика исследований

Полевые работы. Зимы 2010/11 и 2011/12 г. отличались умеренным снегонакоплением и продолжительными холодами во второй половине зим, что вызвало интенсивную перекристаллизацию снежной толщи и незначительное уплотнение снега. Основную часть снежной толщи представляли собой рыхлые слои. Снегомерные наблюдения проводились на юге Подмосковья в естественном ландшафте и предусматривали стратиграфические исследования, а также измерения толщины и средней плотности снежного покрова в поле и лесу. Плотность све-жевыпавшего снега изменялась

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.

Показать целиком