научная статья по теме ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА И РАЗНЫХ ТИПОВ ОТКРЫТОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РАЙОНЕ АНТАРКТИЧЕСКОГО ПОЛУОСТРОВА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА И РАЗНЫХ ТИПОВ ОТКРЫТОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РАЙОНЕ АНТАРКТИЧЕСКОГО ПОЛУОСТРОВА»

УДК 551.322:536(99)

Теплофизические свойства льда и разных типов открытой поверхности в районе Антарктического полуострова

И. А. Репина*, С. А. Бобков**

Рассматриваются результаты измерений температурного режима и альбедо разных поверхностей, свойственных полярным районам. Измерения проводились на о. Кинг-Джордж, который характеризуется тем, что в летний период от снега открываются поверхности, обладающие разными отражательными и теплофизическими свойствами. Наряду с этим весь летний период сохраняются снежники и лед разных морфометрических свойств. Составлены таблицы характерных значений альбедо и температуры разных поверхностей, построены параметрические зависимости альбедо от температуры. Одним из важных результатов исследований является усовершенствование интерпретации снимков ИСЗ малого и среднего разрешения, которая невозможна без детальной информации об отражательных характеристиках разных типов поверхности.

Отражательная способность поверхности, особенно покрытой льдом или снегом, зависит от многих взаимосвязанных факторов. Поэтому выделить их влияние в чистом виде на изменение альбедо очень трудно. Наиболее подробный обзор экспериментальных данных, связывающих величину альбедо с основными характеристиками поверхности в полярных районах и с параметрами приповерхностного слоя атмосферы, приведен в работе [1]. Теоретическое обобщение было выполнено в [7]. Зависимость альбедо поверхности от степени загрязненности льда по многочисленным экспериментальным данным рассматривается в [2]. Там же приведена подробная библиография, касающаяся исследований отражательной способности морского льда. В этих работах рассматриваются в основном поверхности, покрытые морским льдом и снегом. Для Антарктиды статистические характеристики альбедо для разных станций приведены в монографии [3] и Справочнике по климату Антарктиды [6]. Но здесь указаны среднемесячные значения без учета пространственной неоднородности поверхности. Антарктический полуостров и прилегающие к нему острова характеризуются тем, что в летний период от снега открываются поверхности, обладающие разными отражательными и теплофизическими свойствами. Это каменистый грунт, грунт, покрытый мхами и лишайниками разных типов, заболоченные участки поверхности. Наряду с этим весь летний период сохраняются снежники и лед разных морфометрических свойств.

* Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук.

** Московский физико-технический институт.

В летний сезон 2002/03 г. группа сотрудников ИФА РАН проводила измерения структуры приземного слоя атмосферы на станции Беллинсгаузен, расположенной на о. Кинг-Джордж рядом с Антарктическим полуостровом [4]. Дополнительно была проведена серия измерений теплофизичес-ких свойств разных подстилающих поверхностей [5].

Для определения интегрального альбедо наиболее характерных участков поверхности проводились квазисинхронные измерения суммарной приходящей и отраженной солнечной радиации с помощью походного аль-бедометра. При этом одновременно фиксировались такие метеорологические величины, как характеристики облачного покрова, горизонтальная дальность видимости, сопутствующие атмосферные явления, а также состояние подстилающей поверхности. Для измерений температуры поверхности использовались:

— прецизионный цифровой термометр ОТИ-175; диапазон измерений от -199,9 до 199,9°С, разрешение 0,1°С, точность 0,1°С;

— инфракрасный термометр для дистанционного измерения температуры; измеряемый диапазон от -10 до 300°С, разрешение 0,1°С, точность 3% измеряемой величины;

— прецизионный цифровой термометр УОЬТСКАРТ; диапазон измерений от -30 до 300°С, разрешение 0,1°С, точность 0,1°С.

Проводились ежедневные измерения альбедо и температуры поверхности на метеоплощадке — 2—3 раза в сутки при наличии достаточной видимости, а также эпизодические измерения альбедо и температуры наиболее характерных поверхностей, встречающихся на острове. Как правило, в каждой точке проводилось от 5 до 10 измерений в зависимости от стабильности состояния атмосферы. Полученные характерные значения интегрального альбедо разных типов свободных от снега поверхностей приведены в табл. 1.

Видно, что альбедо поверхности в зависимости от ее типа может изменяться в 2 раза. Еще большие вариации альбедо наблюдаются у поверхностей, покрытых льдом и снегом в летний период (табл. 2). Причем это объясняется не только толщиной ледяного или снежного покрова, но и состоянием поверхности, которое в свою очередь определяется местными метеорологическими условиями. Значения альбедо участков поверхности,

Таблица 1

Интегральное альбедо разных типов открытых поверхностей

Поверхность Альбедо, % Число измерений

Грунт каменистый с мелкими камнями 17 216

Почва без растительности 19 36

Грунт с крупными камнями 16 57

Орнитологический грунт (колония пингвинов) 29 16

Грунт, покрытый лишайниками 19 106

Мох черного цвета 18 65

Мох зеленого цвета (сплошной покров) 32 68

Мох зеленый с камнями 25 24

Грунт, покрытый травой 29 12

Таблица 2

Интегральное альбедо различных типов снега и льда

Поверхность Альбедо, % Число измерений

Лед на куполе ледника, гладкая бесснежная поверхность 98 13

Лед, загрязненный после таяния, серого цвета 68 25

Лед кристаллической структуры с черными прожилками 45 33

на кромке ледника

Снег подтаявший, загрязненный 58 43

Снег, загрязненный нефтепродуктами 61 5

Снег подтаявший, с ледяными кристаллами 73 183

Снег на леднике, плотный, с ветровой коркой 77 33

Снег с радиационной коркой 90 46

Снег свежевыпавший 85 15

Снег свежевыпавший, тонким слоем покрывающий открытую 45 10

поверхность

покрытых снегом, остаются более однородными, их изменчивость ~ 20%. Изменения обусловлены разной толщиной не стаявшего за лето снежного покрова и наличием разнообразных корковых слоев на поверхности, связанных как с радиационными, так и метеорологическими причинами (например, чередование твердых и жидких осадков, ветровое воздействие).

Открытая от снега поверхность метеоплощадки представляет собой грунт, покрытый камнями диаметром 3—5 см. Вариации альбедо открытого грунта составляют 30%, что зависит от метеоусловий — наличия открытого солнца или осадков. Изменчивость альбедо заснеженной поверхности обусловлена процессами таяния, а также ветровым и радиационным воздействием. Среднемесячные значения альбедо, полученные по измерениям на метеоплощадке, следующие:

Год 2002 2003

Месяц Декабрь Январь Февраль Март

Альбедо % 65,4 17,6 17,8 24,7

Они соответствуют многолетним данным, приведенным в [6]. Наибольшие значения альбедо наблюдаются в декабре, что связано с поздним исчезновением снежного покрова в летний сезон.

Температура подстилающей поверхности определяет обмен теплом между поверхностью и атмосферой. Но ее непосредственное определение часто бывает затруднено. Поэтому важно использование дистанционных методов. Нами была проведена серия измерений температуры разных участков поверхности с помощью контактного цифрового термометра на глубине 1—3 см и с помощью ИК-термометра, измеряющего температуру участка поверхности толщиной несколько микрометров с расстояния около 1 м в инфракрасном диапазоне.

При одинаковых метеорологических условиях вариации температуры разных поверхностей могут достигать 20°С. Наиболее хорошо прогреваются каменистые поверхности и грунты темного цвета. На рис. 1 пред-76

т,° С

Рис. 1. Изменения температуры (а) и альбедо (б) разных типов поверхностей.

1 — каменистый грунт; 2 — поверхность, покрытая лишайником; 3, 4 — соответственно поверхности, покрытые мхом черного и зеленого цвета; 5 — поверхность, покрытая снегом; 6—температура воздуха.

ставлены результаты измерений интегрального альбедо и температуры близкорасположенных поверхностей, проведенных с 11 по 16 марта 2003 г. В течение всего периода наблюдений погода была пасмурной, а средняя температура воздуха отрицательной, что препятствовало существенному радиационному прогреву. Наиболее хорошо аккумулируют тепло мох черного цвета и открытый каменистый грунт. Наибольшим альбедо (после снега) характеризуется поверхность, покрытая зеленым мхом.

Для более детальных измерений были выбраны две контрольные площадки достаточной протяженности, измерения на которых проводились весь период наблюдений. Грунт первой площадки был идентичен грунту метеоплощадки, вторая площадка представляла собой каменистый грунт, покрытый лишайниками серебристого цвета. Измерения проводились 2—3 раза в сутки, когда позволяли метеоусловия. На рис. 2 представлены изменения температуры грунта первой и второй площадок. В обоих случаях вариации температуры поверхности обусловлены вариациями температуры воздуха, причем температура, измеренная в ИК диапазоне, больше реагирует на изменчивость температуры воздуха. Контактная температура поверхности открытого грунта на 1—3°С выше, чем температура поверхности, покрытой лишайниками. Разность между температурой двух по-

-5 1..................... -4 1.....................

7 13 19 25 30 10 16 1 8 1 12 7 13 19 25 30 10 16 1 8 1 12 Декабрь Январь Февраль Март Декабрь Январь Февраль Март

Рис. 2. Изменения температуры подстилающей поверхности, измеренной контактным способом (1) и в ИК диапазоне (2).

а) каменистый грунт; б) грунт, покрытый лишайниками. 3 — температура воздуха.

-4 1..................... -5 1....................

7 13 19 25 30 10 16 1 8 1 12 7 13 19 25 30 10 16 1 8 1 12

Декабрь Январь Февраль Март Декабрь Январь Февраль Март

Рис. 3. Изменения температуры подстилающей поверхности, покрытой каменистым грунтом (1) и лишайниками (2).

а) контактная температура; б) температура, измеренная в ИК диапазоне. 3—температура воздуха.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 Т, °С

Рис. 4. Зависимость альбедо разных типов подстилающей поверхности от ее температуры. а) каменистый грунт, коэффициент корреляции Я = 0,55; б) грунт, покрытый лишайниками, Я = 0,63.

верхностей, измеренной в ИК диапазоне, более значительна (рис. 3б). Это объясняется тем, что ИК-термометр измеряет температуру тонкого прогретого слоя воздуха между структурами лишайника, к

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