Термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности

Чернов, Роберт Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности
ВАК РФ 25.00.31, Гляциология и криология земли

Автореферат диссертации по теме "Термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности"

На правах рукописи

ЧЕРНОВ Роберт Анатольевич

Термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности

Специальность 25.00.31 — гляциология и криология Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

3 ОКТ 2013

005533738

МОСКВА-2013 г.

005533738

Работа выполнена в отделе гляциологии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт географии Российской академии наук

Научный руководитель -

кандидат географических наук

Николай Иванович Осокин

Официальные оппоненты:

доктор географических наук кандидат географических наук

Сергей Владимирович Ясинский Павел Александрович Черноус

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения Российской академии наук

Защита состоится «18» октября 2013 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.046.04 в Институте географии Российской Академии наук по адресу: 119017 Москва, Старомонетный пер., 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН по адресу: 119017 Москва, Старомонетный пер., 29

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Отзывы на автореферат (в электронном виде и на бумаж. носителях в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 119017 Москва, Старомонетный пер., 29, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.046.04. Факс: 8-(495) 959-00-33, e-mail: direct@igras.geonet.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

И.С. Зайцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Снежный покров - своеобразное природное явление, имеющее специфические физические свойства, наиболее отличительными из которых: значительная пористость; низкая теплопроводность; широкий диапазон значений отражательной способности; большие затраты тепла на таяние. Благодаря своим свойствам снежный покров позволяет сохранить тепло в почве в зимний период, защитить ее от резких колебаний температур и сильного выхолаживания. В толще снега происходят непрерывные структурные изменения. Они обусловлены как внешними, так и внутренними источниками энергии и вызывают трансформацию его физических свойств, что, в свою очередь, меняет характер взаимодействия снежного покрова и окружающей среды.

Среди современных проблем изучения снежного покрова одна из важнейших -рациональное использование его в народном хозяйстве. И здесь первостепенное значение имеет оценка региональных снежных ресурсов и физических свойств снега. В настоящее время накоплен обширный материал о снежных ресурсах на равнинной территории России, однако имеющиеся данные представляют информацию главным образом по ресурсным характеристикам снежного покрова - толщине, средней плотности, продолжительности залегания. Эволюции снежного покрова изучалась в основном в горных регионах - на Кавказе, Алтае, в Хибинах, а описания структурно-стратиграфических особенностей снежного покрова центральных районов Европейской части России были единичными и относились к 1960-м годам.

Вместе с тем многочисленные гидрологические исследования снежного покрова, выполненные во второй половине XX в. на юге Европейской части России, позволили установить пространственные закономерности залегания снежного покрова и определить количественные соотношения снегозапасов по основным элементам ландшафта (Г.Д. Рихтер, В.М. Мишон и др.). При описании структуры снежной толщи в таких исследованиях внимание акцентировалось на оценке мощности ледяных корок и включений, в меньшей степени отражали кристаллический состав снега и особенности эволюции снежной толщи. В теплофизических расчетах наиболее важны рыхлые слои снега, так как именно их термическое сопротивление определяет теплоизоляционные свойства снежного покрова.

Недостаток региональных данных о стратиграфии снежного покрова создает определенные трудности при рассмотрении вопросов, связанных с оценками физических и термических свойств снежного покрова, а его районирование лишь приблизительно отражает строение снежного покрова и ход его эволюции во времени.

В последние годы большое внимание уделяется параметризации снежного покрова в климатических моделях с учетом структурных и теплофизических

характеристик. Поэтому к перспективной задачей является не только изучение региональных особенностей строения снежного покрова, но и обусловленной ими изменчивость его термических свойств. Последняя задача может быть решена совместными полевыми исследованиями снежного покрова и тестовыми теплофизическими измерениями.

Объект исследования диссертационной работы - снежный покров западной части Среднерусской возвышенности (СРВ). Зимние климатические условия рассматриваемой территории, средняя толщина и плотность снежного покрова предполагают значительные структурные преобразования снежной толщи в процессе ее залегания, что важно при изучении изменчивости термических свойств снега. Хотя СРВ и прилегающие территории относятся к наиболее освоенным регионам России, экспериментальные оценки термических свойств снежного покрова на рассматриваемой территории практически отсутствуют. Из литературных источников получены сведения о теплобалансовых измерениях зимой в районе г. Загорска (г. Сергиев Посад) в период МГГ.

Предмет настоящего исследования - термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности. Наибольшее внимание уделено исследованию изменчивости тепло- и температуропроводности снега в зависимости от его плотности и структуры, а также оценкам термического сопротивления снежного покрова с учетом региональных различий. Полученные результаты важны при решении и научных, и практических задач, в частности: моделирование теплового взаимодействия в системе «атмосфера - снежный покров - почва», разработка физико-математических моделей развития снежной толщи, теплофизические расчеты температурного режима грунтов, обоснование тепловой снежной мелиорации, устройства зимников, ледяных переправ. Данные стратиграфических наблюдений снежного покрова позволяют расширить область наших знаний о снежном покрове этого региона и в совокупности с лабораторными исследованиями установить связь между термическими и структурными характеристиками снега.

Цели и задачи исследования

Основная цель диссертации - оценка термических свойств снежного покрова Среднерусской возвышенности путем исследования пространственной изменчивости высоты, плотности и структуры снежного покрова. К важнейшим задачам работы относятся: а) определение характерного типа снежного покрова на территории возвышенности; б) выявление региональных различий в строении снежной толщи; в) экспериментальная оценка коэффициента эффективной теплопроводности для разной структуры снега. Для решения этих задач было необходимо:

1) ознакомиться с методами исследования термических свойств снежного покрова и проанализировать известные закономерности тепло- и температуропроводности снега;

2) на основе литературных материалов, данных метеостанций и полевых наблюдений определить средние значения толщины и плотности снежного покрова,

выделить основные черты его стратиграфии, изучить особенности распределения снежного покрова на территории Среднерусской возвышенности;

3) уточнить методику определения коэффициента теплопроводности рыхлого снега, характерного для СРВ; создать экспериментальную установку для измерения теплопроводности снега и разработать методику отбора и обработки образцов;

4) определить значения теплопроводности снега различной плотности и структуры; оценить влияние температуры снега на его теплопроводность в диапазоне температур характерном для зимних условий СРВ;

5) рассчитать термическое сопротивление снежного покрова для территории СРВ; рассмотреть влияние толщины, плотности и строения снежного покрова на изменчивость его термического сопротивления.

Решение указанных задач осуществлялось, исходя из необходимости, получить количественные оценки термических свойств снежного покрова для одной из наиболее освоенных территорий России, где снежная мелиорация имеет огромное практическое значение в регулировании теплозащитных свойств снежного покрова.

Фактический материал и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались традиционные в гляциологии методы полевых исследований: снегомерные съемки, структурно-стратиграфический метод изучения строения снежной толщи, измерения температурного режима снежного покрова. Созданная автором экспериментальная установка позволила определить теплопроводность снега.

Материалом для экспериментов, результаты которых положены в основу настоящей диссертации, послужили результаты снегомерных работ на юге Подмосковья, а также в Калужской, Тульской, Орловской и Курской областях. Ежегодно с 2000 г. автором проводились снегомерные измерения на фиксированном маршруте в окрестностях метеостанции «Михайловское» на юге Подмосковья (дер. голохвастово), где также была определена площадка для проведения регулярных стратиграфических исследований. В 2011 и 2012 г. были проведены повторные снегосъемки по 11 маршрутам на западных склонах СРВ от юга Подмосковья до границы Белгородской области. Также регулярные снегомерные маршруты были пройдены на территории Подмосковья в районе населенных пунктов г. Троицк, г. Звенигород.

В работе использовались материалы литературных источников: климатические справочники СССР и России; Атлас снежно-ледовых ресурсов мира, 1997; физические карты Европейской части РФ и центрального Федерального округа; Международная классификация для сезонно-выпадающего снега, 2012; Кристалло-морфологический атлас снега, 1984. Для выбора снегомерных маршрутов использовались региональные топографические карты 1:200 000, методика снегомерных съемок уточнялась в соответствии с «Руководством по снеголавинным работам» в редакции 1965 и 2001 гг. Для стратиграфических исследований снежного покрова применялась макрофотосъемка кристаллов снега, выполненная автором.

Фактический материал, который был обработан и использовался в исследованиях, представлен данными по: 14 снегомерным маршрутам; стратиграфическими описаниями снежной толщи в 80 шурфах; лабораторными исследованиями теплопроводности различных типов снега (68 образцов); записями автоматических регистраторов температуры снежного покрова и подстилающей поверхности зимой 2010/11 и 2011/12 г.

Характеристики снежного покрова Среднерусской возвышенности, полученные автором в результате многолетних натурных измерений, предусматривали стратиграфическое описание снежного покрова, а экспериментальные исследования теплопроводности снега послужили основой для анализа особенностей развития снежной толщи и оценки термических свойств снежного покрова.

Научная новизна работы

1. В результате натурных измерений впервые получены и обобщены данные о стратиграфии снежного покрова рассматриваемого региона и представлены стратиграфические разрезы для условий типичных зим СРВ.

2. Создана экспериментальная установка для определения коэффициента теплопроводности снега в широком диапазоне его плотности.

3. Впервые определены значения теплопроводности глубинной изморози на Европейской части России. На их основе показаны важные различия теплопроводности зернистого и перекристаллизованного снега в диапазоне плотности от 0,15 до 0,45 г/см3.

4. Дана оценка влияния горизонтов глубинной изморози на теплозащитные свойства снежной толщи. Рассчитаны средние значения термического сопротивления снежного покрова северных, центральных и южных районов СРВ, выделены пространственные закономерности теплозащитных свойств снега.

5. Разработана инновационная методика цветового представления стратиграфии снежного покрова, которая позволяет оперативно выявлять особенности стратиграфических разрезов снежного покрова и открывает возможности компьютерной обработки данных полевых наблюдений.

Практическая значимость работы

Использование данных о термических свойствах снежного покрова дает возможность рассчитывать и прогнозировать температурный режим и глубину промерзания почвы. Установленные эмпирические зависимости теплопроводности различного типа снега создают основу для инженерных расчетов: тепловой мелиорации снежного покрова, проектирования снежных трасс, зимников, теплозащиты сооружений и т.п. Полученные результаты позволяют проводить проверку теоретических моделей развития снежного покрова и могут быть использованы в климатических моделях различного масштаба. Фактические материалы автора использованы при расчетах и моделировании сезонного промерзания грунтов на северных территориях Европейской части России.

Достоверность и апробация результатов работы

Полученные экспериментальные данные о теплопроводности снега показали хорошее согласование с рядом известных эмпирических зависимостей отечественных и зарубежных исследователей и объясняют возможные разногласия различных авторов при рассмотрении влияния структуры снега. Сведения, собранные автором о стратиграфии снежного покрова СРВ и Подмосковья, согласуются с данными опубликованным в научной литературе (H.A. Володичева, Е.С. Трошкина), и являются важным первичным материалом для будущих исследований.

Основные положения диссертации доложены на Гляциологических симпозиумах (Казань, 2010; Архангельск 2012); Международном симпозиуме «Физика и химия снега» (Южносахалинск, 2011, 2013); Ежегодной научной сессии МИФИ (Москва, 2003, 2007); 2-ой и 5-й Молодежной школы-конференции (Курск, 2011, 2013); Международной конференции по лавинам (Кировск, 2011), семинарах отдела гляциологии Института географии РАН (Москва 2002, 2009,2011, 2012).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 19 работ, отражающих ее основное содержание, в том числе семь статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 150 страниц текста, 46 рисунков, 16 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 160 наименований. Приведенные в работе рисунки, таблицы и фотографии выполнены автором, если в подписи к ним не указан другой источник.

Основные защищаемые положения

1. Установлено, что снежный покров Среднерусской возвышенности имеет преимущественно термоградиентный тип развития, что является следствием интенсивной перекристаллизации слоев снега в периоды похолоданий.

2. В рассматриваемом регионе складывается определенный тип стратиграфии снежного покрова, который выражен двумя основными горизонтами: верхний горизонт сложен зернистым снегом, нижний горизонт - перекристаллизованным снегом, преимущественно слоями глубинной изморози. В большинстве случаев зим слои глубинной изморози преобладают по толщине и составляют около 60-70% толщины снежного покрова уже с первой декады января.

3. Перекристаллизация снега оказывает значительное влияние на изменчивость коэффициента эффективной теплопроводности сезонного снега. Установлено, что для условий СРВ теплопроводность глубинной изморози в 1,6-2 раза меньше теплопроводности зернистого снега в широком диапазоне плотности снега.

4. Выявлено, что термическое сопротивление слоев глубинной изморози является определяющим для теплозащитных свойств снежного покрова СРВ, что особенно характерно для второй половины зимнего периода. Учет стратиграфии снежного покрова дает расчетное увеличение термического сопротивления снежного покрова в среднем на 30^10%.

5. На территории СРВ пространственная изменчивость термического сопротивления снежного покрова определена широтным изменением его толщины и плотности, при сохранении основных черт стратиграфии снежного покрова. Однако, в южных районах инфильтрационное уплотнение снежного покрова приводит к преобладанию зернистых слоев снега и резкому ухудшению его теплозащитных свойств. Различия в значениях термического сопротивления между северными и южными районами достигают 100% при близких величинах снегозапасов.

Диссертационная работа выполнена в институте географии РАН под руководством кандидата географических наук Н.И. Осокина и доктора технических наук P.C. Самойлова.

Автор выражает благодарность научному руководителю диссертации Н.И. Осокину, а также A.B. Сосновскому, А.Ф. Глазовскому, Г.А. Носенко, И.Ф. Хмелевскому за многочисленные рекомендации и советы при подготовке работы, P.C. Самойлову за помощь и наставления на первом этапе исследований. Автор признателен коллективу ЦЛБ ОАО «Апатит» и лично П.А. Черноусу и Е.Г. Мокрову за помощь в организации полевой практики на плато Ловчорр в 19992001 гг. Кроме того, автор благодарит сотрудника отдела гляциологии В.В. Мацковского за помощь в обработке метеоданных, П.А. Королева за содействие в проведении полевых наблюдений в районе метеостанции «Михайловское».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы теплофизических исследований снежного покрова, сформулированы основные цели и задачи диссертационного исследования, научная новизна работы.

В главе 1 дан обзор работ, направленных на исследование термических свойств снежного покрова. Выявлены существенные различия в оценке эффективной теплопроводности снега различными авторами, которые не могут быть полностью определены температурой снега и предположительно связаны с региональными особенностями развития структуры снежного покрова.

В главе 2 приведена краткая характеристика зимних условий Среднерусской возвышенности и распределения снежного покрова на ее территории. Обобщены данные маршрутных снегомерных съемок и стратиграфических описаний снежного покрова, выполненных автором.

В главе 3 рассмотрены термические характеристики снега и описаны основные методы измерений его теплопроводности. Обосновано применение стационарного метода измерений теплопроводности для рыхлого снега.

В главе 4 дано описание экспериментальной установки и методики определения эффективной теплопроводности снега. Представлены экспериментальные данные, полученные для образцов снега различной плотности и структуры. Получены эмпирические зависимости коэффициента эффективной теплопроводности

зернистого снега и глубинной изморози. Проведено сравнение с известными эмпирическими уравнениями и теоретическими оценками этой величины.

В главе 5 проведен расчет термического сопротивления снежного покрова с учетом его стратиграфии. Показаны изменения термического сопротивления снежного покрова во времени, даны оценки их значений для северных, центральных и южных районов Среднерусской возвышенности.

В заключение даны выводы по работе и сформулированы задачи дальнейших исследований.

Глава 1. Изученность термических свойств снежного покрова

К началу XX века были сформулированы основные представления о тепловом балансе Земли, механизме передачи тепла вглубь горных пород и особенностях температурного режима верхней части земной коры. Отсутствие количественных характеристик о снежном покрове дало развитие к изучению явлений связанных с ним. Основные направления научных исследований снежного покрова, разработанные Г.Д. Рихтером, заключались в следующем: изучение влияние снежного покрова на весенний паводок, оценка промерзания грунтов, защита объектов хозяйственной деятельности от снежных явлений, прогнозирование свойств снежного покрова. Для ряда практических задач необходимо было определить теплопроводность снега, которая является основным параметром, характеризующим термические свойства снежного покрова.

Первые количественные оценки теплопроводности снега были получены в конце XIX века Т. Андерсом (T. Andrews, 1886), С. Хьельстромом (S.A. Hjelstrom, 1889), Г.Ф. Абельсом (1893 г.), М. Янсоном (M. Jansson, 1901). Г.Ф. Абельс одним их первых показал, что в качестве ведущего фактора в изменение теплопроводности снега является его плотность. В последующие годы были проведены многочисленные исследованиями термических свойств снега, и получен ряд эмпирических зависимостей теплопроводности от плотности снега: М.Р. De Quervain (1948), Z. Iosida (1955), Yen (1962), Jaafar and Picot (1970), Izumi (1975) и др. В ходе исследований было выявлено, что в процессы теплопереноса в снегу обеспечиваются не только кондуктивным переносом через ледяную матрицу, но также диффузией водяного пара и конвекцией воздуха в поровом пространстве. Эти процессы дают разный вклад в теплоперенос и в совокупности определяют величину коэффициента эффективной теплопроводности снега, в дальнейшем коэффициент теплопроводности. Было отмечено, что их количественные соотношения могут изменяться как плотностью снега, так и его температурой. В России исследованием теплопроводности снежного покрова занимались A.A. Кузьмин (1933), Г.К. Сулаквелидзе (1970), JI.C. Кондратьева (1975), К.Ф. Войтковский (1975), A.B. Павлов (1984), В.Н. Голубев (1989) и др. Современные исследования термических свойств снега показывают, что влияние структуры снега также оказывается существенным для процессов теплопереноса, что было отмечено в работах S.C. Colbeck (1983), M. Sturm (1992), W. Pfeffer (2002), M. Schneebeli (2003), S. Socratov (2004), P. Satyawali

(2008). Нижняя граница оценок теплопроводности снега приближается к значениям теплопроводности воздуха около 0,03 Вт/м°С, верхние значения не превышают величины 1,00 Вт/м°С. В этом широком диапазоне, различия в оценке коэффициента теплопроводности снега у разных авторов достигают 200% даже при сравнении снега равной плотности. Наибольшие относительные изменения коэффициента теплопроводности снега наблюдаются при малых значениях плотности в диапазоне от 0,10 до 0,25 г/см3, см. рис.1.

Рис. 1. Графики эмпирических зависимостей коэффициента теплопроводности снега от плотности:

1 - A.C. Кондратьева, 2 -Г.Ф. Абельс, 3 - Йен, 4 - М. Янсон, 5 - A.B. Павлов, 6 -Остин, 7 - М. Стурм, 8 - Ц. Иосида, 9 - Г.К. Сулаквелидзе, 10 - Д. Брахт, 11 - К. Изуми

На рис. 1 показаны графики наиболее часто используемых эмпирических зависимостей теплопроводности снега от его плотности. Методики измерений коэффициента теплопроводности снега у различных авторов существенно отличались, что возможно было причиной некоторых расхождений их результатов. Большинство авторов указывают на изменчивость коэффициента теплопроводности снега, связанную с температурой, которая достигает 30-50%, что не объясняет полностью изменчивость теплопроводности снега и указывает на другой фактор, каким может являться структура снега. Среди отечественных исследований мнения авторов относительно влияния структуры снега на его теплопроводность расходятся и выражаются общими оценками от незначительного до существенного. Большинство зависимостей теплопроводности снега построены для его плотности, а характер структуры авторы указывают в градации мелко-, средне-, крупнозернистый снег, что затрудняет понимание структурных особенностей снега, связанных с конструктивным метаморфизмом. Исследования, проведенные М. Стурмом (1992), показали, что форма и характер связей кристаллов снега является важным фактором изменчивости его теплопроводности. Количественные оценки М. Стурма для глубинной изморози плотностью 0,22 г/см3 указывают, что перекристаллизованный снег обладает особыми термическими свойствами. Теплопроводность снега этого типа оказывается в 2-3 раза меньше, чем теплопроводность зернистого и метелевого снега при равной плотности и сравнима по величине с теплопроводность свежевыпавшего снега. Таким образом, вопрос об изменчивости теплопроводности снега также оказался тесно связан с типом

0,25 035

Плотность света, г/см*

снегом, который логично приводит к его структурным характеристикам: размер и форма зерен снега, характер контактов между ними.

В пользу тезиса о существенном влиянии структуры снега на его теплопроводность говорят теоретические оценки теплопроводности. Попытки представления структуры снега для задач теплопереноса были неоднократно предприняты на основе моделей Фойхта и Рейсса (Ц. Иосида, М.Р. Де-Кервен, И.Л. Борщук, И.В. Ледовской, Р.И. Гаврильев). Минимальные и максимальные модельные оценки коэффициента теплопроводности снега хорошо согласуются с опытными данными лишь для плотного снега, плотностью свыше 0,30 г/см3. В области рыхлого снега неопределенность возрастает, что связано с ограниченностью моделей в представлении структуры снега. Фактически, эмпирические данные для рыхлого снега остаются единственно надежным материалом для изучения его термических свойств. Неопределенность эмпирических зависимостей и теоретических расчетов теплопроводности для рыхлого снега указывает на необходимость полевых исследований регионального характера.

Зимние условия на Среднерусской возвышенности способствуют формированию рыхлого снежного покрова, средняя плотность которого к концу зимы редко достигает величины 0,24 г/см3. Слабому уплотнению снежной толщи способствует ее небольшая толщина и процессы перекристаллизации снега. Несмотря на длительный период гидрологических исследований снежного покрова СРВ, имеются лишь единичные стратиграфические описания снежной толщи по этому региону. Известные экспериментальные оценки теплопроводности снега проводились на удаленных к северу территориях (Загорск, Ленинград (Санкт-Петербург), Салехард). В сравнении с северными территориями условия формирования снежного покрова СРВ отличаются как по средним показателям толщины и плотности, так и по температурному режиму. Применение эмпирических зависимостей для расчета коэффициента теплопроводности без учета региональных особенностей формирования снежного покрова несет в себе указанную выше неопределенность результата.

Глава 2. Зимние условия Среднерусской возвышенности и особенности формирования снежного покрова

Среднерусская возвышенность (СРВ) занимает центральное положение среди Восточно-Европейской равнины. Она протянулась на 550-600 км с северо-северо-запада на юго-юго-восток от Смоленско-Московской возвышенности до южных границ Белгородской области. Рельеф территории имеет мягкие очертания с преобладанием платообразных форм, с пологими склонами и сетью логов и оврагов. Высота водоразделов на Среднерусской возвышенности достигает 220 - 290 метров, а многочисленная сеть рек, ручьев и приуроченных к ним балок и оврагов обуславливают значительную расчлененность рельефа.

Возвышенный рельеф Среднерусской возвышенности сказывается на ее климате. Лето здесь прохладное, а годовая сумма осадков несколько больше, чем на

прилежащих низменностях и составляет около 550 мм. Круглый год над территорией господствует западный перенос воздушных масс. За холодное время года на Восточно-Европейской равнину приходит до 12 циклонов, часть из них захватывают территории СРВ. В общих чертах погода зимнего периода СРВ отличается большим количеством пасмурных дней, частой сменой периодов похолоданий кратковременными потеплениями с возможностью оттепелей. Зимой средние многолетние суммы осадков составляют 110 - 180 мм, около 70% которых выпадает в твердом виде. На западном склоне СРВ и в центральных районах наблюдается небольшое преобладание количества осадков, в сравнении с южными районами. Распределение осадков обуславливает различия в снегозапасах на территории, которые составляют в среднем 120 мм на севере и около 100 мм на юге СРВ. Наиболее интенсивное накопление снежного покрова происходит в конце декабря и январе, и снижается в феврале и марте. Во второй половине зимы активность циклонов уменьшается, тем не менее, кратковременные оттепели нередко случаются в феврале. На севере СРВ в декабре - марте наблюдается в среднем около 10 дней с оттепелями, к югу их продолжительность увеличивается до 16-20 дней. Воздействие оттепелей оказывает значительное влияние на формирование снежного покрова, которое проявляется в закономерном пространственном изменении его толщины, плотности и структуре.

Исследованию снежного покрова СРВ и на прилегающих территориях были посвящены работы Г.Ф. Нефедова, В.Н. Паршина, П.П. Кузьмина, М.И. Ивероновой, Е.А. Нефедьевой, В.М. Мишона, C.B. Ясинского и др. В ходе гидрологических исследований ими были выявлены основные закономерности распределения снегозапасов лесостепной и степной зонах и определены ландшафтные особенности распределения снежного покрова. Было установлено, что характер растительности и овражно-балочная сеть является главными факторами пространственной неоднородности снежного покрова. Статистические характеристики, выраженные в коэффициентах снегозапасов, в лесу, в лесозащитных полосах, на зарастающих полевых участках, на пастбищах и пахотных полях показали, что локальная изменчивость снегозапасов на открытых пространствах не влияет существенно на различия средних снегозапасов в лесу и поле, их различия оцениваются лишь в пределах инструментальных измерений.

Тем не менее, несмотря на большую пространственную изменчивость снегонакопления по элементам ландшафта, на территории СРВ отчетливо проявляется широтная закономерность изменения толщины и плотности снега. На основании материалов литературных источников и данных метеостанций средняя многолетняя толщина снежного покрова уменьшается с севера на юг приблизительно вдвое, от 40-45 до 20-25 см. В тоже время межгодовая изменчивость средней толщины снежного покрова очень велика, хотя общая закономерность в типичные зимы сохраняется. В табл. 1 представлены значения толщины снежного покрова последней декады февраля по 10 метеостанциям.

Таблица 1

Значения средней толщины снежного покрова по данным метеостанций на последнюю декаду февраля, см

Метеостанция 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г.

Малоярославец 53 6 35 22 27 45

Серпухов 54 0 24 27 25 54

Калуга 45 10 37 39 41 48

Тула 34 10 26 22 37 57

Плавск 43 23 32 23 26 49

Волхов 33 5 28 19 29 30

Мценск 39 19 30 29 39 44

Орел 26 0 27 16 24 33

Верховье 29 10 23 25 33 45

Готня 15 0 25 8 16 32

Наши снегомерные измерения 2011 и 2012 годов проведенные в конце февраля и начале марта в западных частях СРВ подтвердили общую закономерность распределения снежного покрова. Снегомерные съемки были проведены по 12 маршрутам, расстояние между которыми составляло около 50 км. Маршруты включали однотипные полевые участки и участки лиственного леса, измерения проводились согласно наставлениям о снегомерных съемках. По результатам измерений была выявлена линейная зависимость уменьшения толщины снега в широтном направлении с севера на юг, которая имеет хорошее совпадение с усредненными значениями по данным метеостанций в период с 2000 по 2011 год, и совпадает в отдельные годы (2001, 2003-2006) с данными таблицы 1. Анализ данных показал, что различия снегозапасов между севером и югом на СРВ составили всего 10-20 мм, при среднем значении равном 110 мм. Равномерность их распределения нарушалась в Тульской области (Белевский район), где наблюдался устойчивый многолетний максимум снегонакопления. Лишь южнее г. Курска величина среднемноголетних снегозапасов уменьшалась до 60-70 мм.

Изменения средней плотности снежного покрова также обнаруживает широтную закономерность, что имеет важное значение для термических свойств снега. По проведенным измерениям снежный покров на севере и в центральных областях остается рыхлым вплоть до периода таяния, его средняя плотность не превышает 0,24 г/см3, тогда как на юге региона его плотность к началу периода таяния составляет 0,30 — 0,35 г/см3. Увеличение плотности снежного покрова происходит, прежде всего, за счет образования ледяных корок и фирнизации снега, что является следствием

оттепелей. Исследование стратиграфии снежного покрова, проводимые автором, также обнаруживают влияние оттепелей в структуре перекристаллизованного снега, выраженного в оплавлении и спекании кристаллов глубинной изморози. Тем не менее, обобщение данных стратиграфических разрезов привело к парадоксальному результату: несмотря на существенную изменчивость толщины, плотности снежного покрова в широтном направлении и усиление влияния оттепелей к югу, основные черты стратиграфии снежного покрова устойчиво сохраняются. Наиболее отчетливо это проявляется во второй половине зимы.

Небольшая толщина снежного покрова СРВ определяет значительную перекристаллизацию снега, что приводит к росту кристаллов снега и формированию горизонтов глубинной изморози. В периоды похолодания формирование глубинной изморози происходит в течение 2-3 недель, это означает, что уже в первой половине января в снежной толще формируются рыхлые слои перекристаллизованного снега. Пример развития снежной толщи на лесном участке представлен на рис. 2 в виде временного разреза.

Рис. 2. Временные разрезы, отражающие эволюцию снежного покрова на лесном участке зимой 2010/2011 гг. -(а) и 2011/2012 гг. - (б). Снег: 1 - свежевыпавший снег, 2 — мелкозернистый, 3 — средне- и крупнозернистый, 4 -фирнизованный снег, 5 -ограненные зерна, 6 - глубинная изморозь, 7 - уплотненная глубинная изморозь, 6 - границы слоев, 8- ледяная корка

Формирование глубинной изморози препятствует дальнейшему уплотнению снега, что является характерной чертой конструктивного метаморфизма. Непродолжительные оттепели оказывают влияния лишь на верхние слои снежного покрова и практически не затрагивают нижние перекристаллизованные слои.

Инфильтрационное уплотнение верхних слоев снега приводит к увеличению их плотности и способствует сохранению зернистой структуры. Два процесса -интенсивная перекристаллизация снежной толщи в холодные периоды и фирнизация снега в оттепели, формируют характерный тип стратиграфии снежного покрова, где верхние слои снега сложены зернистым снегом (показаны зеленым цветом), а нижние слои - кристаллами глубинной изморози (синий цвет), рис. 3.

2 30-

20 -

10 -

10.111.2010

0,24

• • • • • • • • 0,21

А А А А

А А А А 0,22

А А А А

А А А А 0,21

А А А А

о о о о о АЛЛА 0,28

Рис. 3. Типичный разрез снежного покрова СРВ второй половины зимнего периода (Южное Подмосковье, поле).

На цветном поле указана плотность слоев снега, (г/см3), обозначения символов см. на рис. 2.

По данным многолетних стратиграфических исследований автора на снегомерной площадке в окрестностях метеостанции «Михайловское» (дер. Голохвастово, Подмосковье) были построены стратиграфические разрезы, рис. 4. Результаты наблюдений показали подобие стратиграфических разрезов снежного покрова для большинства зим, что указывает на межгодовую устойчивость типа снежного покрова.

Рис. 4. Стратиграфические разрезы снежных шурфов, выполненных в разные годы на площадке полигона (поле)

По материалам проведенных снегомерных съемок в Подмосковье был вычислен коэффициент перекристаллизации снежной толщи (/&) для трех зим, который является отношением толщины перекристаллизованных слоев снега к общей толщине снежного покрова, его значения представлены в табл. 2. Вычисленные значения показывают, что доля перекристаллизованных слоев в снежном покрове составляет около 60%, что в целом отражает многолетний ряд наблюдений на площадке, где коэффициент перекристаллизации менялся от 0,30 в теплые зимы до 0,65 в холодные зимы.

Обработка данных маршрутных исследований в Калужской, Тульской, Орловской и Курской областях подтвердила наше предположение об общем характере развития снежного покрова на территории СРВ.

Таблица 2

Значения коэффициента перекристаллизации ЛГ$ снежной толщи по месяцам (юг

Подмосковья)

Месяцы 2010 г. 2011 г. 2012 г.

Январь 0,47 0,29 0,33

Февраль 0,58 0,71 0,82

Март 0,67 0,58 0,77

Среднее за зиму 0,57 0,53 0,64

Стратиграфические исследования 2011 года, которые включали нескольких десятков описаний снежной толщи на 14 снегомерных маршрутах, показали пространственную однородность разрезов, что графически представлено в виде стратиграфических спектров (рис. 5). Спектры наглядно демонстрируют преобладание перекристаллизованного снега над зернистым снегом, как на севере области (рис. 5, а) так и в центральных районах (см. рис. 5, б).

Таким образом, по материалам литературных источников, снегомерных и стратиграфических исследований, проведенных автором, были подтверждены основные закономерности изменения толщины и плотности снежного покрова Среднерусской возвышенности и установлены общие для территории признаки его развития, приведены количественные оценки перекристаллизации снега. Отмечено, что воздействие оттепелей особенно отчетливо проявляется в структуре снега лишь на юге рассматриваемого региона.

а б

1 1

Рис. 5. Доля слоев снега различного типа в снежном покрове (стратиграфический спектр снежного покрова):

а - юг Подмосковья; б - снегомерный маршрут по западным склонам Среднерусской возвышенности; 1 - метелевый (свежевыпавший) снег; 2 - мелкозернистый снег; 3 - ледяные и фирновые корки; 4 - перекристаллизованный снег с ограненными кристаллами; 5 -глубинная изморозь

Глава 3. Методы исследований термических свойств снега

Термические свойства веществ определяются теплопроводностью, температуропроводностью, теплоемкостью, энергией фазовых превращений, температурой плавления. Температура плавления кристаллов льда, как и значения энергии фазовых переходов, остается практически неизменной в естественных условиях. Их малые изменения находятся в пределах погрешности теплофизических измерений снега. Теплоемкость сухого снега является суммой теплоемкостей, слагающих его компонентов. Ее величина на 99% определяется теплоемкостью льда в снегу, что определено его объемным весом. Капиллярная вода и водяной пар в сухом снегу не привносят существенного вклада в его теплоемкость снега в силу их ничтожного количества. В табл. 3 приведены объемный вес, удельная теплоемкость и теплопроводность компонентов сухого снега для нормального давления и температуры 0°С. Соотношение объемных весов и теплопроводностей показывает, что определяющим компонентом для термических свойств снега является лед. Модельный рассчет средней теплопроводности снега, исходя из льдосодержания, совпадает лишь с максимальными экспериментальными оценками. Большинство определений теплопроводности рыхлого снега дают значения в 1,5-2 раза меньше.

Таблица 3

Параметры компонентов сухого снега

Параметры Компоненты снега

лед воздух водяной пар

Объемный вес/ содержание, кг/м3 50-350 1,2 0,005

Удел, теплоемкость, кДж/кг°С 2,12 1,00 2,01

Теплопроводность, Вт/м°С 2,22 0,024 0,55

Для определения теплопроводности снега применяют несколько различных методов. В основе одних лежит использование закона Фурье, где измерение теплового потока и градиента температуры пропорционально связаны коэффициентом теплопроводности, в других методах исследуется коэффициент температуропроводности характеризующий нестационарные процессы передачи тепла, описываемые уравнением теплопроводности. По данным литературы были проанализированы основные методы определения теплопроводности снега и выделены наиболее приемлемые для снежного покрова Среднерусской возвышенности, обладающего низкой плотностью и значительной перекристализацией слоев снега. Хотя нестационарные методы являются наиболее

оперативными и современными, они имеют ряд ограничений: требуется учитывать латеральные потери тепла на стенках образца снега и величину тепловыделения внутри образца, связанную с фазовыми переходами. Подобные методы наиболее подходят для плотного или смерзшегося снега, фирна, пористого льда, где значения коэффициента теплопроводности имеют максимальные для снега значения. Для снега низкой плотности при малых размерах образца латеральные потери могут значительно ухудшать результат. Кроме того, рыхлый снег, имеющий хрупкую структуру, оказывается существенным препятствием для точности установки датчиков, что требует увеличения размеров образцов. Стационарные методы измерений коэффициента теплопроводности отчасти лишены этих недостатков, так как размеры образцов многократно больше. При стационарном методе важным условием измерений является создание постоянного теплового потока в образце направленного перпендикулярно к его лицевым (наибольшим) граням. Для выполнения этого условия формируется плоский образец, боковые поверхности которого защищает теплоизоляция, а температура на поверхности поддерживается постоянной.

В настоящей работе был использован и адаптирован стационарный метод определения коэффициента теплопроводности. Для этого автором была создана экспериментальная установка и теплоизолирующий бокс для образцов. Коэффициент теплопроводности снега определялся на основании измерений теплового потока и перепада температуры в образце и вычислялся по формуле:

где Q - тепловой поток, Вт/м2, Т2-Т, перепад температуры в слое /, °С, Kef -коэффициент теплопроводности снега, Вт/м°С. Плоская геометрия образца и конструкция контейнера позволили отбирать образцы с минимальными нарушениями их структуры. Их положение по отношению к тепловому потоку совпадало с

естественным залеганием слоев в снежном покрове. Основные методы измерения коэффициентов температуропроводности и эффективной теплопроводности снега показаны на рис. 6.

Рис. 6. Методы определения

теплопроводности Kef и

температуропроводности а снега и льда

Латеральные потери тепла в центре плоского образца не превышают 10% от величины вертикального теплового потока, что было определено экспериментально.

Метод затухания амплитуды Т(г), метод волны \

Метод регулярного режима а

Метод мгновенного источника, метод радиального потока /

Плотный снег —^ Фирн Лад

Метод «нагретой Keg

плиты»,

метод ср<)внения

Рыхлый снег

Для каждого образца снега проводилась серия измерений теплопроводности при различных значениях теплового потока и градиента температуры. Температура на нижней границе образца поддерживалась постоянной и составляла около -2°С. На поверхности снега температура изменялась скачком через 3-4 часа. В образце снега после измерения теплопроводности измерялась его плотность, средний размер и форма кристаллов. В некоторых режимах тепловые потоки и перепады температуры принимали реальные значения, подобные естественным условиям залегания снежного покрова. Основные трудности были связаны с выбором оптимального времени установления стационарного режима между сериями измерений, которое определялось степенью нелинейности распределения температуры в образце. Автором экспериментально был установлен минимальный интервал времени для установления квазистационарного режима теплопередачи в образце, который для рыхлого снега был равен 2,5-3 часа. Для плотного снега интервал времени сокращался до 2 часов (при толщине образцов 10 см).

Глава 4. Экспериментальное определение эффективной теплопроводности

различных типов снега

Отбор образцов снега производился из естественного снежного покрова непосредственно в период проведения снегомерных съемок с января по март в 2011 и 2012 г. Размеры образцов снега составляли 30 х 30 см. Всего было отобрано 68 образцов снега различной плотности и структуры, для которых определялся коэффициент теплопроводности. Их количество разделилось по типу снега: свежевыпавшего и метелевого снега - 18 образцов, зернистого снега - 31 образец, глубинной изморози - 19 образцов. До начала измерений каждый образец выдерживался в морозильнике около 4^6 часов при температуре -4°С.

Для каждого измерения температура в морозильнике понижалась с шагом 4°С, что обеспечивало медленное охлаждение образца. В центре образца температура снега изменялась от —4°С до —17°С. Контроль значений теплового потока и температуры снега осуществлялся по показаниям тепломера ИПП 2 и электронными термометрами.

На основании серии измерений для каждого образца снега получена зависимость интенсивности теплового потока от градиента температуры. Примеры зависимостей для образцов зернистого и перекристаллизованного снега представлены на рис. 7.

Коэффициент теплопроводности Кef снега определялся как коэффициент пропорциональности между тепловым потоком и градиентом температуры. Сравнении полученных данных показали значительные различия в величине коэффициента теплопроводности К ef для различных типов снега при близких значениях плотности. Высокие значения коэффициента корреляции на графиках указывают на достоверность полученных результатов.

Градиент температуры, °С/м

Рис. 7. Экспериментальная а зависимость теплового потока от

— градиента температуры в снеге:

а - зернистый снег, плотностью 0,26 г/см3; б - глубинная изморозь, плотностью 0,24 г/см3

Н = 0,91

л___

Представленные на рис. 7 графики показывают, что значения Кef зернистого и перекристаллизованного снега при их близкой плотности различаются почти в 3 раза и составляет 0,31 и 0,11 Вт/м°С соответственно. Низкие значения Kef (пример б, см. рис.6) были получены для всех образцов перекристаллизованного снега. Зернистый снег имел наиболее высокие значения Kef (пример а).

На рис. 8 показаны экспериментальные значения Kef всех отобранных образцов снега различной плотности и структуры. Границы массива точек согласуются с теоретическими оценками минимальных и максимальных значений теплопроводности снега в данном диапазоне плотностей (1 и 2 на рис. 8).

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Плотность снега, кг/м*

Рис. 8. Экспериментальные точки эффективной теплопроводности снега, пунктир: Кривые 1 и 2 - соответственно минимальные и максимальные расчетные зависимости теплопроводности снега

Центр данных обозначен крестом, его значение на оси плотности соответствует средней плотности снежного покрова в Подмосковье, что указывает на адекватный отбор образцов. Из серии экспериментов на образцах зернистого и

перекристаллизованного снега при изменение температуры в диапазоне от -4 °С до -17 °С (в центре образца снега) изменчивость коэффициента теплопроводности Kef находилась в пределах 20%, что особенно проявилось в образцах зернистого снега. Этот результат вполне согласуется с исследованиями A.B. Павлова и других авторов.

Более значительные различия в Kef были выявлены в зависимости от типа снега. Для метелевого, свежевыпавшего, зернистого снега и глубинной изморози изменчивость Kef достигала 100% при равной плотности снега в диапазоне от 0,20 до 0,35 г/см3. Во всем измеряемом диапазоне плотности экспериментальные точки четко разделились на соответствующие типу снега группы. Формирование групп свежевыпавшего, глубинной изморози и зернистого снега наглядно демонстрирует рис. 9. Здесь также показаны линии тренда построенные по экспериментальным точкам для зернистого снега и глубинной изморози.

0.0 0,1 0.2 0,3 0,4 0,5

Плотность, г/см3

Рис. 9. Экспериментальные точки эффективной теплопроводности снега:

1 - зернистый снег; 2 - глубинная изморозь; 3 - свежевыпавший снег; пунктиром показаны линейная зависимость Kef от плотности для зернистого снега (а) и глубинной изморози (б)

На основании результатов были предложены эмпирические зависимости Kef глубинной изморози и зернистого снега от плотности, которые применимы в широком диапазоне от 0,10 до 0,45 г/см3. Зависимости Kef (Вт/м°С) от плотности снега р (г/см3) для зернистого снега (линия а на рис.8) и глубинной изморози (б) имеют следующий вид: мелко-, средне-, крупнозернистый снег -

Kef = 0,1 + 0,1р + 1,5р2; (1)

глубинная изморозь -

Kef= 0,636р - 0,023 (2)

Сравнение результатов экспериментального определения коэффициента теплопроводности Kef по формулам (1) и (2) с известными эмпирическими зависимостями для рыхлого снега показаны графически на рис. 10. Зависимость для глубинной изморози (график 5) практически совпадает с данными Г.Д. Сулаквелидзе для перекристаллизованного крупнозернистого снега и данными М. Стурма (график 4). Незначительные расхождения с последним автором означают, что в нашем случае глубинная изморозь при плотности свыше 0,22 г/см3 была уплотненной, т.е. обнаруживала следы воздействия оттепелей.

Оценки Н.И. Осокина и Г.Д. Абельса, графики 1 и 3 соответственно, расположились между графиками 5 и б для зернистого снега и глубинной изморози. По мере роста плотности снега наши оценки по зернистому снегу сближаются со значениями Г.Д. Абельса и Н.И. Осокина и практически совпадают при плотности более 0,30 г/смЗ.

Рис. 10. Графики эмпирических зависимостей коэффициента эффективной теплопроводности рыхлого снега:

1 - Г.Ф. Абельс, 2 - Г.Д. Сулаквелидзе,

3 - Н.И. Осокин и др., 4 - М. Стурм, 5 и б - настоящее исследование (глубинная изморозь и зернистый снег соответственно)

В целом, полученная нами формула для зернистого снега дает более высокие значения Kef в сравнении с другими зависимостями, что связано с условиями деструктивного метаморфизма снежного покрова в условиях СРВ. Полученные эмпирические зависимости в сравнении с другими авторами свидетельствуют о достаточной надежности наших результатов. Кроме того, непосредственные измерения теплового потока в естественном снежном покрове и его расчетные значения с использованием полученных автором значений Kef полностью совпадали при различной толщине снега как на севере региона (в Подмосковье), так и на юге региона в ЦентральноЧерноземном заповеднике.

Если изменчивость теплопроводности снега связана с его типом, то это явление должно быть связано со структурными характеристиками снега: форма кристаллов, их средний размер, размеры контактов между ними. Зависимость Ке/от размера кристаллов снега была обнаружена лишь в образцах зернистого снега (черные точки), которая показана на рис. 11. В этом случае зависимость Ке/от

Плотность, г/см*

размера зерен проявляется достаточно четко с коэффициентом корреляции равным 0,56.

■й. аг Ы

Г1 = 0,56 ..

• 4 ***

• • з А

........§........1........; 3 с Г1 = 0,08 1

1* * » I □

1,5 2

Размер зерна, мм

Рис. 11. Зависимость коэффициента эффективной теплопроводности снега от размеров зерен.

Объяснения - см. текст

Для перекристаллизованного снега (квадраты) взаимосвязь размеров кристаллов с теплопроводностью на данном этапе исследования не обнаруживается. Из этого можно заключить, что для процессов теплопереноса особое значение имеет контактность между кристаллами снега. Как было показано в экспериментальных исследованиях Ц. Иосида, М.Р. Де Кервена, М. Стурма координационное число связей кристаллов уменьшается в процессе сублимационной перекристаллизации приблизительно вдвое.

Выделить этот эффект в наших результатах удалось с помощью расчета температуропроводности снега, используя ее взаимосвязь с объемной теплоемкость и теплопроводностью. Значения коэффициента температуропроводности оказались в 1,5 - 1,7 раза ниже для глубинной изморози, в сравнении с зернистым снегом. Полученные значения температуропроводности совпадают в оценках с другими авторами (Г.Ф. Абельс, Т.В. Дъячкова, М. Янсон, Г.К. Сулаквелидзе). Следует отметить, что при плотности снега выше 0,25 г/см3 значения коэффициента температуропроводности оказываются практически постоянными, что было отмечено как для зернистого снега (Т.В. Дъячкова, М. Янсон), так и для крупнозернистого перекристаллизованного снега (Г.К. Сулаквелидзе). Как показывает исследование автора различия в величине коэффициента температуропроводности связаны с разным типом снега, что объясняют расхождения указанных авторов.

Глава 5. Изменчивость термических свойств снежного покрова Среднерусской

возвышенности

Значения теплопроводности отдельных слоев снега могут существенно отличаться, а их вклад в среднюю теплопроводность снега зависит от их толщины. Для расчетов удобнее использовать термические сопротивления слоев, так как их величины аддитивно складываются. Термическое сопротивление снежного покрова характеризует его теплозащитные свойства и связано с коэффициентом теплопроводности формулой:

где hc - толщина слоя снега, Кef- коэффициент эффективной теплопроводности снега.

Нами были рассчитаны термические сопротивления снега различного типа и установлено, что слои глубинной изморози, как и слои свежевыпавшего снега, являются хорошим теплоизолятором. Теплозащитная роль слоев глубинной изморози возрастает во второй половине зимы и становится преобладающей. Расчет термического сопротивления снежного покрова в течение зимы, который связан с накоплением снега и его перекристаллизацией, показал максимальные значения в 1,31,5 раза больше, чем расчеты термического сопротивления на основе средней плотности снега. Различия двух подходов в оценке термического сопротивления обусловлены завышенной плотностью рыхлых слоев снега при усреднении его плотности (при наличии в снегу ледяных корок) и не учетом перекристаллизации снега.

По результатам наблюдений на полигоне был выполнен расчет термического сопротивления снежного покрова для разных зим двумя способами, табл. 4. Для холодных и контрастных зим (2004, 2006, 2011, 2012), когда в снежном покрове образуются мощный горизонт глубинной изморози различия между RuRp достигают 40%, для теплых зим ( 2001, 2005, 2008, 2009, 2010) около 15-20%. Для всех зим значения термического сопротивления R (с учетом стратиграфии) оказались больше Rp - рассчитанные по средней плотности снежного покрова.

Кроме того, был проведен расчет термического сопротивления снежного покрова по результатам маршрутных исследований 2011 года на западных склонах СРВ. Местоположение маршрутов представлены на карте-схеме треугольниками, значения термического сопротивления R указаны рядом (рис. 12). Выполнен также модельный расчет значений R на основе выявленного тренда уменьшения толщины снега с севера на юг, и упрощенного представления стратиграфии снега (доля глубинной изморози равна 50%). Сравнения результатов показало хорошее численное совпадение модельного расчета и расчета на основании маршрутных данных по шурфам.

Удовлетворительный результат моделирования позволил провести прогноз изменений термического сопротивления на территории Среднерусской возвышенности при современных изменениях климата. Анализ работ, посвященных межгодовым изменениям снегозапасов в средней полосе России, показал, что в 19511980 гт. наблюдался рост снегозапасов, который в последние два десятилетия незначительно уменьшился. При этом с начала 1990-х годов наблюдается увеличение средней зимней температуры.

Расчет показал, что для условий типичной зимы термическое сопротивление снежного покрова на севере и центральных районах изменяется от 2,5 до 4,0 °См2/Вт, в южных районах от 0,8 до 2,5 °См2/Вт. Согласно литературным источникам на

Стрелецком участка ЦЧЗ им. В.В. Алехина глубина промерзания почвы в лесу составляет 10-20 см при средней толщине снежного покрова 38 см и плотности около 0,25 г/смЗ. По нашим полевым наблюдениям в конце февраля 2011 года средняя толщина снежного покрова в лесу составляла 33 см, средняя плотность снега 0,22 г/смЗ. Почва в лесу под снежным покровом находилась в талом состоянии или промерзала на небольшую глубину около 5-7 см.

Таблица 4

Характеристики снежного покрова и значения термического сопротивления в период максимальных снегозапасов на площадке шурфования (Подмосковье)

Год

Средняя Толщина, см Доля Термическое Относи

плотност слоя сопротивление, тельное

ь глубинн °См2/Вт изменен

снежного снежног слоя ой ие

покрова, о глубинн измороз по с учетом и Л,

г/см3 покрова ой и, % средней стратигра %

измороз плотное фии

и ти

2001 0,23 47 15 32 2,24 2,76 19

2002 0,35 5 0 0 0,16 0,16 0

2003 0,21 28 16 57 1,50 2,04 26

2004 0,22 38 17 45 1,95 2,70 28

2005 0,26 41,5 21 51 2,16 2,61 17

2006 0,27 48 30 62 2,09 3,58 42

2007 0,27 43 29 68 1,82 2,52 28

2008 0,31 30 5 17 1,09 1,35 19

2009 0,27 40,5 10 24 1,72 2,13 19

2010 0,24 42 21 50 2,30 2,71 15

2011 0,20 52 24 46 2,84 4,61 38

2012 0,19 39 28 72 2,25 3,72 39

среднее 0,25 38 18 44 1,80 2,80 36

Значения термического сопротивления, вычисленные по многолетним данным летописи заповедника и по данным полевых наблюдений автора на территории заповедника, составляет 1,84 и 1,78 °См2/Вт соответственно. Таким образом, для зимних условий на территории заповедника термическое сопротивление снежного покрова, равное или превышающее величину 1,8°См2/Вт, исключает возможность значительного промерзания грунта. В силу общего характера зимней погоды на западных склонах СРВ глубина промерзания почв будет зависеть от теплозащитных свойств снежного покрова, которые изменяются в широтном направлении вместе с его высотой, плотностью и строением.

Рис. 12. Карта-схема термического сопротивления снежного покрова Среднерусской возвышенности.

Пунктир - расчетные значения термического сопротивления Я (°См2/Вт), треугольники — значения по данным шурфов

Прогноз изменений термического сопротивления при условии роста средней зимней температуры на 1 градус и уменьшении снегозапасов на 30 мм показал, что теплозащитные свойства снежного покрова в лесостепной зоне на юге Среднерусской возвышенности будут резко ухудшаться, на севере заметно не изменяться. Различия связаны в основном с влиянием оттепелей в южных районах и усилении перекристаллизации в северных и центральных районах. В многоснежные зимы при увеличении снегозапасов на 30 мм и более различия в величине термического сопротивления снежного покрова между южными и северными районами СРВ также будут сохраняться.

МОСКВА

Можайск

Вязьма

Обнинск.

Серпухов

/А 2,8\ Кашира

Калуга Алексин

Волхов

Мценск,

Ливны

Железного рек

>«Курск

Заключение

Проведенные полевые и лабораторные исследования и анализ полученных результатов привели к следующим выводам:

1. Снегомерные съемки в Подмосковье и на западных склонах Среднерусской возвышенности выявили уменьшение в южном направлении толщины снежного покрова и увеличение его плотности при фактически равных значениях снегозапасов, что обусловлено усилением влияния оттепелей.

2. Строение снежного покрова и температурный режим указывает на термоградиентный тип его развития. Снежный покров сложен преимущественно из рыхлых слоев снега, его средняя плотность изменяется от 0,19 до 0,26 г/см3 на севере и в центральных районах и возрастает до 0,35 г/см3 в южных районах.

3. В снежной толще формируются слои глубинной изморози, доля которых возрастает до 60 - 70% во второй половине зимы. Стратиграфические описания снежного покрова, полученные в период с 2000 по 2012 гг. в Подмосковье и на западных склонах СРВ повсеместно выявляют характерные два горизонта в его строении, верхний состоящий из мелко- и среднезернистого снега и нижний, сложенный глубинной изморозью. Это позволило сделать вывод об устойчивости типа снежного покрова на данной территории. Стратиграфические особенности снежного покрова также сохраняются на юге региона, где снежный покров более плотный, а глубинная изморозь имеет признаки инфильтрационного уплотнения.

4. Сравнение наиболее известных эмпирических зависимостей коэффициента теплопроводности снега выявило существенные их различия в широком диапазоне плотностей, превышающие 100%. Современные зарубежные теплофизические исследования указывают на влияние структуры снега на коэффициент теплопроводности снега. В зимних условиях СРВ перекристаллизация снега и образование мощных слоев глубинной изморози имеет важное значение для теплозащитных свойств снежного покрова.

5. Для проверки этого факта были рассмотрены известные способы определения теплопроводности пористых материалов. Автором была создана экспериментальная установка позволяющая проводить испытания для рыхлого и плотного снега. Результаты определения коэффициента эффективной теплопроводности снега различной структуры и плотности показали высокую достоверность, на уровне значений коэффициента корреляции около 0,9.

6. Полученные значения коэффициента эффективной теплопроводности снега различного типа и различной плотности хорошо согласуются, как с теоретическими оценками теплопроводности снега, так и с рядом эмпирических зависимостей.

7. Анализ данных показал существенные различия в величине коэффициента эффективной теплопроводности для различного снега: метелевого, свежевыпавшего, зернистого и перекристаллизованного. Таким образом, было подтверждено влияние структуры снега на его теплопроводность в условиях формирования снежного покрова на СРВ. Особое внимание уделялось глубинной изморози, так как подобные

измерения ранее не проводились на территории России. Установлено, что ее теплопроводность в 1,6+2 раза меньше, чем теплопроводность зернистого снега при одинаковой плотности. Средняя величина эффективной теплопроводности глубинной изморози и зернистого снега составляет 0,13 и 0,24 Вт/м°С соответственно. Для зернистого снега и глубинной изморози получены эмпирические зависимости коэффициента эффективной теплопроводности от плотности, имеющие хорошее совпадение с известными экспериментальными данными.

8. По результатам эксперимента и на основании литературных источников о плотности снежного покрова в Центрально-черноземном заповеднике им. В. В. Алехина были определены средние значения эффективной теплопроводности снежного покрова, которые имеют значения 0,13 Вт/°См на лесных участках и 0,17 Вт/°См в степи. Также было вычислено термическое сопротивления снежного покрова в разных районах СРВ. Расчеты показали, что учет перекристаллизации снега приводит к возрастанию величины термического сопротивления снежного покрова в среднем на 30-40% на всей территории СРВ. Изменчивость термического сопротивления составляет на севере и центральных районах от 2,5 до 4,0 °См2/Вт, в южных районах от 0,8 до 2,5 °См2/Вт для условий типичной зимы. При увеличении снегонакопления на 30 мм, что соответствует условиям многоснежной зимы на территории СРВ, различия термического сопротивления между южными и северными районами СРВ будут сохраняться. При уменьшении снегонакопления на 30 мм -условия малоснежной зимы, региональные различия будут усиливаться, что связано с влиянием оттепелей в южных районах на уплотнение снега.

9. Формировании устойчивого типа снежного покрова на СРВ, выраженное в образовании глубинной изморози и слабом уплотнении снежной толщи, обеспечивает хорошие теплозащитные свойства снега, что имеет важное практическое значение для снежной мелиорации особенно в южных районах СРВ.

Дальнейшие исследования намечаются в направлении районирования снежного покрова в рассматриваемом регионе, выделении ландшафтных особенностей его строения, определении теплопроводности в различной степени перекристаллизованного снега. Для повышения точности результатов необходимо совершенствовать методику отбора образцов рыхлого снега и количественные методы определения его структурных характеристик.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1. Волков A.B., Чернов P.A. Выделение основных типов развития снежной толщи по данным шурфований на плато Ловчорр // Материалы IV Междунар. конф. «Лавины и смежные вопросы» 5-9 сентября 2011, Кировск. С. 39.

2. Осокин H.H., Жидков В.А., Самойлов Р. С., Сосновский A.B., Чернов P.A. Роль снежного покрова в промерзании грунтов // Изв. РАН. Серия геогр. 2001. № 4. С. 52-57.

3. Осокин Н.И., Самойлов P.C., Сосновский A.B., Чернов P.A. Оценка влияния потепление климата на деградацию мерзлоты (на теплофизическое состояние мерзлых пород) // МГИ. 2005. Вып. 99. С. 144-150.

4. Осокин H.H., Самойлов P.C., Сосновский A.B., Жидков В.А., Китаев Л.М., Чернов P.A. Влияние снежного покрова на теплообмен с подстилающей поверхностью // Оледенение Северной Евразии в недавнем прошлом и ближайшем будущем / Под ред. В.М. Котлякова. М.: Наука. 2007. С. 15-54.

5. Осокин Н.И., Сосновский A.B., Чернов P.A. Влияние диффузии водяного пара на коэффициент теплопроводности снежного покрова // Тезисы докладов Междунар. Симпозиума «Физика и химия снега». Южно-Сахалинск, 12-17 июня, 2011. С.93-95.

6. Осокин Н.И., Сосновский A.B., Чернов P.A. Влияние стратиграфии снежного покрова на его термическое сопротивление // Лед и снег. 2013. № 3. С. 63-70.

7. Чернов P.A. Влияние температурного режима снежной толщи на развитие слоев разрыхления // МГИ. 2003. Вып. 94. С. 100-104.

8. Чернов P.A. Новый подход к моделированию кристаллической структуры снега // Сб. научных трудов: Научная сессия МИФИ. Т. 2. М., 2007. С. 101-103.

9. Чернов P.A. Особенности снежного покрова в период таяния в горах Западного Шпицбергена // Материалы междунар. науч. конф. «Природа шельфа и архипелагов европейской Арктики» 9-11 ноября, Мурманск. Москва: изд. ГЕОС, 2008. Вып. 8. С. 374-376.

10. Чернов P.A. Изменчивость теплофизических параметров снежного покрова в различных температурных режимах (по результатам полевых и лабораторных исследований в Подмосковье) // Тезисы докладов Междунар. гляциологического симпозиума 31 мая - 4 июня 2010, Казань. С 62.

11. Чернов P.A. Методика цветового отображения стратиграфии снежного покрова // Лёд и Снег. 2010. №3(111). С. 58-62.

12. Чернов P.A. Влияние температурного режима снежного покрова Среднерусской возвышенности на изменчивость его теплофизических свойств // Тез. докл. II молодежной конф. «Природные и природно-антропогенные системы: организация, изменение во времени». Курск, 2011, С. 14.

13. Чернов P.A. Опыт применения почвенного пенетрологтера для изучения стратиграфии снежного покрова // Материалы IV Междунар. конф. «Лавины и смежные вопросы» 5-9 сентября 2011, Кировск. С. 82.

14. Чернов P.A. Экспериментальное определение эффективного коэффициента теплопроводности снега при различных температурных условиях // Тезисы докладов Междунар. Симпозиума «Физика и химия снега». Южно-Сахалинск, 12-17 июня, 2011. С.101-102.

15. Чернов P.A. Определение теплопроводности глубинной изморози на примере снежного покрова Среднерусской возвышенности // Материалы гляциологического симпозиума. 1-5 июня 2012, Архангельск. С.52.

16. Чернов P.A. Особенности стратиграфии снежного покрова на западных склонах Среднерусской возвышенности // Тез. докл. V молодежной конф. «Трансграничные геосистемы России и Украины: природная и социально-экономическая динамика». 16-19 мая 2013, Курск. С.71-72.

17. Чернов P.A. Экспериментальное определение теплопроводности глубинной изморози // Лёд и Снег. 2013. № 3 (123). С. 71-77.

18. Чернов P.A., Осокин Н.И. Изменчивость теплофизических свойств снежного покрова Европейской части России в современных условиях потепления климата // Сб. научных трудов: Научная сессия МИФИ. Т. 5. М., 2003. С. 120-121.

19. Китаев Л.М., Чернов P.A. Индикационные свойства снежной толщи (по результатам экспериментальных исследований зимой 2011/12 г. в центральной части Восточно-Европейской равнины) // Лёд и Снег. 2013. № 4 (124). В печати.

Заказ № 18-Р/09/2013 Подписано в печать 05.09.13 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,4

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 www.cfr.ru; е-таИ: info@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Чернов, Роберт Анатольевич, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской академии наук Отдел гляциологии

04201362433 На пРавахрукописи

ЧЕРНОВ Роберт Анатольевич

«Термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 25.00.31 - ГЛЯЦИОЛОГИЯ И КРИОЛОГИЯ ЗЕМЛИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель кандидат географических наук Н.И. Осокин

МОСКВА-2013

хаУ

Оглавление

Введение 3

Глава 1 Изученность термических свойств снежного покрова 12

1.1 Основные направления исследований снежного покрова 13

1.2 Обзор исследований термических свойств снега 14

1.3 Теоретические модели теплопроводности снега 25

1.4 О классификации сезонного снега 27 Глава 2 Зимние условия Среднерусской возвышенности и особенности

формирования снежного покрова 32

2.1 Климатическая и физико-географическая характеристика района исследований 32

2.2 Продолжительность зимнего периода, зимние осадки. Условия формирования снежного покрова 38

2.3 Распределение снежного покрова на территории Среднерусской возвышенности 49

2.4 Особенности стратиграфии снежного покрова Среднерусской возвышенности 54

Глава 3 Методы исследований термических свойств снега 69

3.1 Основные термические характеристики снега 69

3.2 Методы измерений теплопроводности снега 76

3.3 Анизотропия термических свойств снежного покрова 81

3.4 Проблемы определения теплопроводности снежного покрова 83 Глава 4 Экспериментальное определение эффективной

теплопроводности различных типов снега 89

4.1 Отбор и подготовка образцов снега 90

4.2 Методика измерений эффективной теплопроводности снега 92

4.3 Результаты измерений эффективной теплопроводности основных типов снега 97

4.4 Эмпирические зависимости эффективной теплопроводности

для зернистого и перекристаллизованного снега 102

Глава 5 Изменчивость термических свойств снежного покрова

Среднерусской возвышенности 111

5.1 Расчет термического сопротивления для разных типов снега 111

5.2 Сезонная и пространственная изменчивость термического сопротивления снежного покрова 118

5.3 Прогноз изменчивости термических свойств снежного покрова Среднерусской возвышенности 129

Заключение 133

Литература 136

Введение

Актуальность работы. Среди современных проблем изучения снежного покрова одна из важнейших - рациональное использование его в народном хозяйстве. И здесь первостепенное значение имеет оценка региональных снежных ресурсов и физических свойств снега. В настоящее время накоплен обширный материал о снежных ресурсах на равнинной территории России, однако имеющиеся данные представляют информацию главным образом по ресурсным характеристикам снежного покрова - толщине, средней плотности, продолжительности залегания. Эволюции снежного покрова изучалась в основном в горных регионах - на Кавказе, Алтае, в Хибинах, а описания структурно-стратиграфических особенностей снежного покрова центральных районов Европейской части России были единичными и относились к 1960-м годам.

акцентировалось на оценке мощности ледяных корок и включений, в меньшей степени отражали кристаллический состав снега и особенности эволюции снежной толщи. В теплофизических расчетах наиболее важны рыхлые слои снега, так как именно их термическое сопротивление определяет теплоизоляционные свойства снежного покрова.

В последние годы большое внимание уделяется параметризации снежного покрова в климатических моделях с учетом структурных и теплофизических характеристик. Поэтому к перспективной задачей является не только изучение региональных особенностей строения снежного покрова, но и обусловленной ими изменчивость его термических свойств. Последняя задача может быть решена совместными полевыми исследованиями снежного покрова и тестовыми теплофизическими измерениями.

Предмет настоящего исследования - термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности. Наибольшее внимание уделено

исследованию изменчивости тепло- и температуропроводности снега в зависимости от его плотности и структуры, а также оценкам термического сопротивления снежного покрова с учетом региональных различий. Полученные результаты важны при решении и научных, и практических задач, в частности: моделирование теплового взаимодействия в системе «атмосфера -снежный покров - почва», разработка физико-математических моделей развития снежной толщи, теплофизические расчеты температурного режима грунтов, обоснование тепловой снежной мелиорации, устройства зимников, ледяных переправ. Данные стратиграфических наблюдений снежного покрова позволяют расширить область наших знаний о снежном покрове этого региона и в совокупности с лабораторными исследованиями установить связь между термическими и структурными характеристиками снега.

Цели и задачи исследования. Основная цель диссертации - оценка термических свойств снежного покрова Среднерусской возвышенности путем исследования пространственной изменчивости высоты, плотности и структуры снежного покрова. К важнейшим задачам работы относятся: а) определение характерного типа снежного покрова на территории возвышенности; б) выявление региональных различий в строении снежной толщи; в) экспериментальная оценка коэффициента эффективной теплопроводности для разной структуры снега. Для решения этих задач было необходимо:

2) на основе литературных материалов, данных метеостанций и полевых наблюдений определить средние значения толщины и плотности снежного покрова, выделить основные черты его стратиграфии, изучить особенности распределения снежного покрова на территории Среднерусской возвышенности;

3) уточнить методику определения коэффициента теплопроводности рыхлого снега, характерного для СРВ; создать экспериментальную установку

для измерения теплопроводности снега и разработать методику отбора и обработки образцов;

Фактический материал и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались традиционные в гляциологии методы полевых исследований: снегомерные съемки, структурно-стратиграфический метод изучения строения снежной толщи, измерения температурного режима снежного покрова. Созданная автором экспериментальная установка позволила определить теплопроводность снега.

В работе использовались материалы литературных источников: климатические справочники СССР и России; Атлас снежно-ледовых ресурсов мира, 1997; физические карты Европейской части РФ и центрального Федерального округа; Международная классификация для сезонно-выпадающего снега, 2012; Кристалло-морфологический атлас снега, 1984. Для выбора снегомерных маршрутов использовались региональные топографические карты 1:200 ООО, методика снегомерных съемок уточнялась в соответствии с «Руководством по снеголавинным работам» в редакции 1965 и 2001 гг. Для стратиграфических исследований снежного покрова применялась макрофотосъемка кристаллов снега, выполненная автором.

Научная новизна работы:

3. Впервые определены значения теплопроводности глубинной изморози на Европейской части России. На их основе показаны важные различия

теплопроводности зернистого и перекристаллизованного снега в диапазоне плотности от 0,15 до 0,45 г/см3.

Практическая значимость работы. Использование данных о термических свойствах снежного покрова дает возможность рассчитывать и прогнозировать температурный режим и глубину промерзания почвы. Установленные эмпирические зависимости теплопроводности различного типа снега создают основу для инженерных расчетов: тепловой мелиорации снежного покрова, проектирования снежных трасс, зимников, теплозащиты сооружений и т.п. Полученные результаты позволяют проводить проверку теоретических моделей развития снежного покрова и могут быть использованы в климатических моделях различного масштаба. Фактические материалы автора использованы при расчетах и моделировании сезонного промерзания грунтов на северных территориях Европейской части России.

Апробация результатов работы. Полученные экспериментальные данные о теплопроводности снега показали хорошее согласование с рядом известных эмпирических зависимостей отечественных и зарубежных исследователей и объясняют возможные разногласия различных авторов при рассмотрении влияния структуры снега. Сведения, собранные автором о стратиграфии снежного покрова СРВ и Подмосковья, согласуются с данными опубликованным в научной литературе (H.A. Володичева, Е.С. Трошкина), и являются важным первичным материалом для будущих исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, отражающих ее основное содержание, в том числе семь статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 150 страниц текста, 46 рисунков, 16 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 160 наименований. Приведенные в работе рисунки, таблицы и фотографии выполнены автором, если в подписи к ним не указан другой источник.

Основные защищаемые положения:

1. Установлено, что снежный покров Среднерусской возвышенности имеет преимущественно термоградиентный тип развития.

2. В рассматриваемом регионе складывается определенный тип стратиграфии снежного покрова, который выражен двумя основными горизонтами: верхний горизонт сложен зернистым снегом, нижний горизонт - перекристаллизованным снегом, преимущественно слоями глубинной изморози. В большинстве случаев зим слои глубинной изморози преобладают и составляют около 60—70% толщины снежного покрова уже с первой декады января.

3. Перекристаллизация снега оказывает значительное влияние на изменчивость коэффициента эффективной теплопроводности снега. Установлено, что для условий СРВ теплопроводность глубинной изморози в 1,6-2 раза меньше теплопроводности зернистого снега в широком диапазоне плотности снега.

4. Выявлено, что термическое сопротивление слоев глубинной изморози является определяющим для теплозащитных свойств снежного покрова СРВ,

что особенно характерно для второй половины зимнего периода. Учет стратиграфии снежного покрова дает расчетное увеличение термического сопротивления снежного покрова в среднем на 30-40%.

Диссертационная работа выпо�

Информация о работе

Чернов, Роберт Анатольевич
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.31

Диссертация

Термические свойства снежного покрова Среднерусской возвышенности - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы