Характеристика снежного покрова

1.1 Снежный покров  и его характеристики.

СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ – слой снега, лежащий на поверхности  почвы или льда, образовавшийся в  результате снегопадов в зимнее время. Сухой С.п. представляет собой двухфазную, а мокрый — трехфазную систему, состоящую из кристаллов льда, воды и воздуха, содержащего пар. Различают С.п. временный, стаивающий за несколько часов или дней после образования, и устойчивый, лежащий в течение всей зимы или с небольшими перерывами. С.п. имеет слоистое строение, обусловленное рядом причин — перемежающимися снегопадами, собственной массой снежинок, возгонкой и сублимацией снежных кристаллов, воздействием ветра, солнечной радиации, оттепелей и др. Высота и физико-механические свойства С.п. непрерывно изменяются. Свежевыпавший снег (см.) частично сохраняет первичную структуру снежных кристаллов и состоит из снежинок, которые ложатся друг на друга в разных плоскостях. Плотность сухого снега — 10—20 кг/м3, влажного — 100—300 кг/м3. Уплотненный (лежалый) снег частично утрачивает свою первичную структуру в основном за счет оседания под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Плотность лежалого снега — 200—600 кг/м3. Старый снег — полностью утратил первоначальную структуру и форму кристаллов, перекристаллизовался в более или менее крупные зерна под влиянием возгонки и сублимации, таяния и повторного замерзания. Крупность зерен: мелкозернистый — до 1 мм, среднезернистый — 1—2 мм и крупнозернистый — 2—5 мм. Плотность 300—700 кг/м3.

На поверхности  снега различают солнечную корку  толщиной в несколько мм, образовавшуюся в ясные морозные дни за счет оплавления поверхностного слоя снега, ветровой наст — уплотненный ветром слой снега  толщиной до 3 см и тепловой наст —  до 8–10 см. Под снегом на поверхности  почвы может образоваться ледяная  корка от замерзания талой воды. Средняя плотность снежного покрова в европейской части России в конце зимы на севере — 220—280, в средней полосе — 240—320 и на юге — 220—360 кг/м3. Плотность снега в начале таяния — 180—350, в разгар таяния — 350—450 и в конце доходит до 600 кг/м3. Плотность снега в снежниках (см.) в горах Средней Азии достигает в период таяния 750 кг/м3. Пористость С.п. связана с его структурой и изменяется по мере уплотнения от 98 до 20%. С.п. обычно обладает хорошей воздухопроницаемостью и водопроницаемостью. Коэффициент фильтрации С.п. лежит в пределах 0,001—0,006 м/с. Тепловые свойства снега играют исключительную роль в природе. Малая теплопроводность и большая теплоемкость снега приводит к тому, что теплообмен через С.п. замедлен, суточные колебания температуры быстро затухают с глубиной, проникая на глубину 25—35 см. С.п. защищает почву от проникновения холода из воздуха. В то время, как обнаженная почва может промерзнуть на глубину 120 см, снежный покров высотой 60 см полностью исключает промерзание при одинаковых условиях. 

   Весьма  характерное сезонное явление представляет снежный покров. Сезонный снежный покров ложится на поверхность суши на площади от 115 до 126 млн. км². В нашей стране устойчивый снежный покров в конце лета встречается на островах арктических архипелагов и в высокогорных районах. Начиная с осени площадь, занятая снежным покровом, увеличивается, и в сентябре он распространяется на полуострова Таймыр и Чукотку, в октябре – на северную часть Восточно-Европейской равнины, Западную Сибирь, Восточную Сибирь (до оз. Байкал) и Дальний Восток; в ноябре – центральные районы Восточно-Европейской равнины и всю Сибирь; в декабре, январе и феврале вся территория России, кроме Закавказья, занята устойчивым снежным покровом. В марте от снега освобождается южная часть Восточно-Европейской равнины, в апреле – центральные районы европейской части. В мае снежный покров располагается только вдоль побережья Северного Ледовитого океана, на Чукотке и Камчатке.

   Снежный покров оказывает большое влияние  на все природные процессы и хозяйственную деятельность человека. Сплошной снежный покров предохраняет зимой поверхность от эрозии, дефляции, солифлюкции, а весной при таянии является источником интенсивного проявления склоновых и эрозионных процессов. Снег оказывает влияние на давление, осадки, влажность, температурный режим, запыленность атмосферы.

   С другой стороны, физико-механические свойства снега, его строение и особенности распространения находятся в тесной зависимости от ландшафтных условий территории. Снежный покров является зеркалом сезонного состояния природы и несет большую информацию о погодных явлениях.

   Образование снежного покрова происходит в результате выпадения из атмосферы твердых осадков, представленных снежинками, которые состоят из множества мелких ледяных кристаллов. Процессы образования в облаке зародышевых капель и кристаллов сложны и не полностью еще изучены. Полагают, что зарождение снежинок происходит возле ядер конденсации, какими являются частицы пыли, сажи, пыльцы растений и спор. Увеличение видимых кристалликов происходит за счет сублимации (перехода из газообразного в твердое состояние, минуя жидкую фазу) на них водяного пара или слипания друг с другом. В условиях сильного перенасыщения воздуха водяным паром возникают лучистые снежинки, если же перенасыщение уменьшается, промежутки между лучами заполняются льдом и создаются пластинки. По мере увеличения веса кристаллики падают на землю и на своем пути подвергаются механическому и температурному воздействию. На поверхности земли снежинки накапливаются и формируют снежный покров. Снег подвержен воздействию ветра и температуры воздуха не только в момент выпадения, но и после снегопада. Перенос снега носит название снеговой адвекции. Распределение снега зависит от особенностей выпадения осадков, силы ветра, характера поверхности и других факторов. Перемещается снег по физическим законам переноса песка. На затишных участках происходит накопление снега и образуются сугробы. Места, подверженные продолжительному ветровому воздействию, как правило, лишены снега. Изучение перемещения снега имеет большое практическое значение при снежных мелиорациях.

   Мощность  снежного покрова зависит от режима погоды в течение зимнего сезона, рельефа, растительного покрова и других физико-географических условий. Средняя мощность снега в центральном районе Русской равнины составляет 60 см, на северо-западе – 50 см. Распространение мощности снежного покрова на той или иной территории в целом зависит от местных условий, На открытых приподнятых участках, особенно в наветренных склонах, мощность снега обычно меньше, чем в понижениях и на подветренных склонах. В лесу за счет метелей снега больше, чем на открытых участках.

   Одним из важных свойств снега является его плотность. Под плотностью понимается отношение объема воды, содержащегося  в снеге (кубических сантиметрах). Численно она равна весу снега (в граммах) в 1 см³ снежного покрова. От плотности и мощности снега зависят запасы воды в снежном покрове: чем больше мощность и плотность снежного покрова, тем больше воды содержится в нем.

   Среди физических свойств снега прежде всего обращают внимание теплоизолирующие свойства, которые обусловлены его плохой теплопроводностью. В средних значениях теплопроводность снега примерно на порядок больше теплопроводности воздуха и на порядок меньше теплопроводности минеральной почвы. Поэтому почва, покрытая снегом, промерзает медленнее и на меньшую глубину по сравнению с оголенной. Теплопроводность свежевыпавшего рыхлого снега наименьшая. Такой снег гарантирует наилучшую защиту почвы и зимующих под ним растений от охлаждения и промерзания.

   Теплоизолирующая роль снежного покрова особенно важна для перезимовки растений и животных. Если температура почвы на глубине узла кущения (до 5 – 8 см) опускается ниже критической, то растения вымерзают.

   В снежном покрове наблюдается  четко выраженная слоистость, обусловленная как неоднородными условиями накопления снега, так и его последующими изменениями. В стратиграфическом разрезе снежной толщи отражены типы прошедших погод. Выделяют обычно две фации снега: фацию безветренного отложения, когда накапливается пушистый снег, и фацию ветреного отложения, характеризующуюся большой твердостью и плотностью снега. Снег ветровой фации состоит из окатанных и подобранных по размерам (фракциям) ледовых зерен. В снежной толще особенно четко выражены следы несогласного залегания одного слоя на другом. Несогласные контакты образуются в перерыве между снегопадами в результате коррозионной деятельности ветра. В контактах между снежными толщами отражаются следы глубоких оттепелей. Наряду с основными слоями в снежной толще наблюдаются различные корки, представляющие собой прослои льда и сильно уплотненного снега. Они имеют мощность от 0,5 мм до 2 – 3 см. Гололедные корки образуются при выпадении мороси, радиационные (солнечные) – при замерзании поверхности снега, оттаявшей под влиянием прямой солнечной реакции, оттепелые – при замерзании поверхности снега, частично растаявшего под воздействием теплового воздуха. Ветровые корки возникают вследствие ветрового уплотнения и механического давления с участием сублимации.

   Образование и форма снега

    Мельчайшие матово-белые кристаллики  льда - снег - являются самыми обычными видами твердых осадков, возникающих в свободной атмосфере в результате сублимации водяного пара внутри переохлажденного воздуха (рис.1).

Водяной пар + Ледяные ядра + Облачные капли

                                                      (при t° ниже 0°С) 

сублимация 

Снежные кристаллы

заиневение                                                                      коагуляция

сублимация

     кристаллы инея,                                                          снежные хлопья

             крупа

Пластинчатые        Столбчатые

при t° до -20...-25°С     при t° ниже -25°С 

   Рис. 1. Схема образования «снежных»  осадков.

   Образованию кристаллов способствуют и ядра кристаллизации, среди которых лучшими являются вещества, кристаллическая решетка  которых геометрически подобна  решетке льда. Японский гляциолог  У. Накайя, исследуя снежинки под электронным микроскопом, всегда обнаруживай в их центрах включения размером 0,5 - 0,8 мк (преимущественно частицы каолина, глины, угля, а также микроорганизмы).

   Кристаллы льда имеют тригональную форму. Они  всегда развиваются попарно и создают шестиугольный кристалл. Кристаллографических осей 4: из них 3 лежат в одной плоскости, образуя друг с другом углы в 120°, четвертая (главная) ось направлена перпендикулярно к этой плоскости и является осью симметрии. 
 

   Множество факторов влияет на образование и  рост снежинок, потому так велико разнообразие их форм. В коллекции микрофотографий американского метеоролога Уилсона Бентли, изданного в 1931 году, насчитывается свыше 5 тысяч Микрофотографий снежинок, отличных друг от друга.

   Наиболее  совершенные классификации кристаллов снега принадлежат У.Накайя и А.Д.Заморскому. Последний по генетическим признакам выделил 9 основных форм, а в них 48 видов, являющихся вариантами, комбинациями и усложнениями основных форм.

   Обобщая это великое разнообразие форм снежинок, можно говорить о двух основных типах (по В.М.Котлякову). 1 - пластинчатые кристаллы, образующиеся при температурах -20...-25°С; 2 - столбчатые кристаллы, образующиеся при более низких температурах. К основным формам первого типа относятся:

   Пластинка - самая простая по форме снежинка, тонкая шестиугольная, реже треугольная ледяная пластинка размером от 0,1 до 4 мм. Все ее стороны (или через одну) одинаковы по форме и длине.

   Звездчатый  кристалл - пожалуй, самая красивая снежинка (ее изображение стало символом снега) - тонкий, плоский кристалл, имеет центральную шестиугольную пластинку, из углов которой растут тонкие лучи. Обычно лучей шесть, но может быть 3 или 12 или другие усложненные формы. Средний размер кристаллов колеблется от 2 до 7 мм. До нас дошли зарисовки этого вида снежинки, датируемые 1555 годом.

   Пушинка - пластинка или звезда до 9 мм по горизонтали, покрытая обычно с одной стороны плоскими кристаллами, выросшими под разными направлениями и углами. Пушинки когда-то слыли «заиндевелым снегом».

   Среди столбчатых кристаллов самой распространенной формой является столбик. Это шестигранная или полая призма длиной менее 1см с плоскими пирамидальными или усеченными концами. Она очень часто встречается при температурах ниже -20°С и имеет много усложненных разновидностей.

   Вытянутые тончайшие снежные кристаллы  известны как иглы. Сложный снежный кристалл - еж - представляет собой несколько пластинок, лучей или призм, растущих в разных направлениях из одного центра. Снежный покров в основном состоит из пластинчатых ежей и звезд (около 30%), звездчатых пушинок (около 10%), снежной крупы и других форм.

   Рис. 2. Международная классификация снежинок

   В зависимости от погодных условий в разных местностях выпадает «свой» снег. В Прибалтике и в центральных областях часто идет снег в виде крупных, сложных снежинок или беспорядочно сросшихся кристаллов - мохнатых хлопьев. В 1944 году в Москве выпали снежные хлопья до 10 см в поперечнике. Максимальный зарегистрированный диаметр хлопьев свыше 30 см, вес - свыше 500 г. При низких температурах и сильном ветре выпадают тонкие ледяные иголки, а также обломки столбиков или других форм. В Якутии такой снег называют «алмазной пылью». На земле он образует слой пушистого снега.