Снег - Snow

Снег
CargoNet Di 12 Euro 4000 Lønsdal - Bolna.jpg
Норвежский поезд бороздит занесенный снег
Физические свойства
Плотность (ρ) 0,1–0,8 г / см 3
Механические свойства
Предел прочности при растяжениит ) 1,5–3,5 кПа
Прочность на сжатие (σ c ) 3–7 МПа
Тепловые свойства
Температура плавления (Т м ) 0 ° C
Теплопроводность (k) Для плотностей от 0,1 до 0,5 г / см 3 0,05–0,7 Вт / (К · м)
Электрические свойства
Диэлектрическая проницаемость (ε r ) Для сухого снега плотностью от 0,1 до 0,9 г / см 3 1–3,2
Физические свойства снега значительно варьируются от события к событию, от образца к образцу и во времени.

Снег состоит из отдельных кристаллов льда, которые растут, будучи взвешенными в атмосфере, обычно в облаках, а затем падают, накапливаясь на земле, где претерпевают дальнейшие изменения. Она состоит из замороженной кристаллической воды в течение его жизненного цикла, начиная с моментом, в подходящих условиях, кристаллы льда образуются в атмосфере, увеличение до миллиметрового размера, осадки и накапливаются на поверхности, затем метаморфозы на месте, и в конечном счете расплав, скольжение или сублимировать прочь .

Метели организуются и развиваются, питаясь источниками атмосферной влаги и холодного воздуха. Снежинки зарождаются вокруг частиц в атмосфере, притягивая капли переохлажденной воды, которые замерзают в кристаллах гексагональной формы. Снежинки принимают самые разные формы, основными из которых являются пластинки, иголки, столбики и изморозь . Поскольку снег накапливается в снежном покрове , он может уноситься в сугробы. Со временем накопленный снег превращается в метаморфозы путем спекания , сублимации и замораживания-таяния . Там, где климат достаточно холодный для ежегодного накопления, может образоваться ледник . В противном случае снег обычно тает сезонно, вызывая сток в ручьи и реки и подпитывая грунтовые воды .

Основные снежно-склонные районы включают полярные регионы , самую северную половину Северного полушария и горные районы мира с достаточной влажностью и низкими температурами. В Южном полушарии снег лежит в основном в горных районах, кроме Антарктиды .

Снег влияет на такую ​​деятельность человека, как транспорт : возникает необходимость в чистоте проезжей части, крыльев и окон; сельское хозяйство : обеспечение водой сельскохозяйственных культур и охрана домашнего скота; такие виды спорта , как катание на лыжах , сноуборде и снегоходах ; и войны . Снег также влияет на экосистемы , обеспечивая зимой изолирующий слой, под которым растения и животные могут пережить холода.

Осадки

Снегопад во всем мире. Снег на высоте над уровнем моря (в метрах):
  Менее 500: ежегодно.
  Ниже 500: ежегодно, но не на всей территории.
  500: ежегодно выше, иногда ниже.
  Свыше 500: ежегодно.
  Свыше 2000: ежегодно.
  Любая высота: нет.

Снег образует облака, которые сами по себе являются частью более крупной погодной системы. Физика развития снежных кристаллов в облаках является результатом сложного набора переменных, в том числе влажности и температуры. Полученные формы падающих и упавших кристаллов можно разделить на ряд основных форм и их комбинаций. Иногда под ясным небом могут образовываться пластинчатые, дендритные или звездообразные снежинки с очень холодной температурной инверсией.

Образование облаков

Снежные облака обычно возникают в контексте более крупных погодных систем, наиболее важной из которых является область низкого давления, которая обычно включает теплый и холодный фронты как часть их циркуляции. Двумя дополнительными и местными продуктивными источниками снега являются штормы с эффектом озера (также с воздействием моря) и эффекты возвышенности, особенно в горах.

Области низкого давления

Внезапная циклоническая метель, 24 февраля 2007 г. - (Щелкните для анимации.)

Циклоны на средних широтах - это районы с низким давлением, которые могут вызывать все, от облачности и умеренных снежных бурь до сильных метелей . Во время осени , зимы и весны атмосфера над континентами может быть достаточно холодной из-за глубины тропосферы, чтобы вызвать снегопад. В северном полушарии наибольшее количество снега выпадает на северной стороне области низкого давления. Для южных средних широт стороной циклона, производящей больше всего снега, является южная сторона.

Фронты

Фронтальный снегопад движется в сторону Бостона , штат Массачусетс.

Холодный фронт , передний край более холодная массы воздуха, может произвести лобные snowsqualls -an интенсивные лобовые конвективные линии ( по аналогии с rainband ), когда температура находится вблизи замерзания на поверхности. Возникающая сильная конвекция имеет достаточно влаги для создания условий белого света в местах, через которые проходит линия, поскольку ветер вызывает сильную метель. Этот тип снегопада обычно длится менее 30 минут в любой точке своего пути, но движение лески может преодолевать большие расстояния. Фронтальные шквалы могут образовываться на небольшом расстоянии перед поверхностным холодным фронтом или позади холодного фронта, где может быть углубляющаяся система низкого давления или серия желобов, которые действуют аналогично традиционному холодному фронтальному проходу. В ситуациях, когда шквалы развиваются постфронтально, нет ничего необычного в том, что две или три линейных полосы шквалов проходят в быстрой последовательности, разделенные лишь 25 милями (40 км), причем каждая из них проходит через одну и ту же точку с интервалом примерно 30 минут. В случаях, когда наблюдается большой вертикальный рост и перемешивание, шквал может образовывать внедренные кучево-дождевые облака, приводящие к молнии и грому, которые называют грозовым снегом .

Теплый фронт может производить снег в течение периода , как теплый и влажный воздух переопределение ниже замораживания воздуха и создает осаждение на границе. Нередко снег переходит в дождь в теплом секторе за линией фронта.

Озеро и океан эффекты

Холодный северо-западный ветер над озером Верхнее и озером Мичиган создает снегопад с эффектом озера

Снег с эффектом озера образуется в более прохладных атмосферных условиях, когда холодная воздушная масса движется по длинным пространствам с более теплой озерной водой, нагревая нижний слой воздуха, который собирает водяной пар из озера, поднимается вверх через более холодный воздух наверху, замерзает и размещается на подветренном (подветренном) берегу.

Тот же эффект, происходящий над водоемами с соленой водой, называется эффектом океана или снежным покровом . Эффект усиливается, когда движущаяся воздушная масса поднимается орографическим влиянием возвышенностей на подветренные берега. Это поднятие может вызвать узкие, но очень интенсивные полосы осадков, которые могут выпадать со скоростью несколько дюймов снега каждый час, что часто приводит к большому количеству общего снегопада.

Зоны, подверженные влиянию снега на озере, называются снежными поясами . К ним относятся районы к востоку от Великих озер , западное побережье северной Японии, полуостров Камчатка в России и районы возле Большого соленого озера , Черного моря , Каспийского моря , Балтийского моря и части северной части Атлантического океана.

Горные эффекты

Орографический или рельефный снегопад возникает, когда влажный воздух вытесняется с наветренной стороны горных хребтов крупномасштабным ветровым потоком. Подъем влажного воздуха вверх по склону горного хребта приводит к адиабатическому охлаждению и, в конечном итоге, к конденсации и выпадению осадков. Влага постепенно удаляется из воздуха в результате этого процесса, оставляя более сухой и теплый воздух на нисходящей или подветренной стороне. В результате усиление снегопада, а также снижение температуры с высотой над уровнем моря, в совокупности увеличивают высоту снежного покрова и сезонную устойчивость снежного покрова в заснеженных районах.

Было также установлено, что горные волны способствуют увеличению количества осадков с подветренной стороны горных хребтов, увеличивая подъемную силу, необходимую для конденсации и выпадения осадков.

Физика облаков

Свежевыпавшие снежинки

Снежинка состоит примерно из 10 19 молекул воды , которые добавляются к ее ядру с разной скоростью и по разному образцу в зависимости от изменяющейся температуры и влажности в атмосфере, через которые снежинка падает на пути к земле. В результате снежинки отличаются друг от друга, хотя и имеют схожий рисунок.

Кристаллы снега образуются, когда замерзают крошечные переохлажденные облачные капли ( диаметром около 10  мкм ) . Эти капли могут оставаться жидкими при температурах ниже -18 ° C (0 ° F), потому что для замерзания несколько молекул в капле должны случайно собраться вместе, чтобы сформировать структуру, аналогичную структуре в решетке льда. Капля замерзает вокруг этого «ядра». В более теплых облаках аэрозольная частица или «ледяное ядро» должны присутствовать в капле (или в контакте с ней), чтобы действовать как ядро. Ядра льда очень редки по сравнению с облачными ядрами конденсации, на которых образуются жидкие капли. Ядрами могут быть глины, пустынная пыль и биологические частицы. Искусственные ядра включают частицы йодида серебра и сухой лед , и они используются для стимулирования осаждения при засеивании облаков .

После того, как капля замерзла, она растет в перенасыщенной среде, в которой воздух насыщен по сравнению со льдом, когда температура ниже точки замерзания. Затем капля растет за счет диффузии молекул воды в воздухе (пара) на поверхность кристаллов льда, где они собираются. Поскольку водяных капель намного больше, чем кристаллов льда, кристаллы могут вырастать до сотен микрометров или миллиметров в размере за счет водяных капель с помощью процесса Вегенера – Бергерона – Финдейзена . Эти большие кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку они падают через атмосферу из-за своей массы и могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты представляют собой снежинки и обычно представляют собой частицы льда, которые падают на землю. Хотя лед ясно, рассеяние света на кристаллических граней и впадин / несовершенств означает , что кристаллы часто появляются белого цвета за счет диффузного отражения всего спектра от света малыми частицами льда.

Классификация снежинок

Ранняя классификация снежинок Исраэля Перкинса Уоррена

Микрофотография тысяч снежинок начиная с 1885 года, начиная с Уилсона Алвина Бентли , выявила большое разнообразие снежинок в пределах классифицируемого набора узоров. Были обнаружены близкие по форме кристаллы снега.

Укичиро Накая разработал диаграмму морфологии кристаллов, связывающую формы кристаллов с условиями температуры и влажности, при которых они образовывались, что кратко изложено в следующей таблице.

Морфология кристаллической структуры в зависимости от температуры и водонасыщенности
Диапазон температур Диапазон насыщенности Виды снежного кристалла
° C ° F г / м 3 унция / куб ярд ниже насыщения выше насыщения
От 0 до −3,5 32–26 От 0,0 до 0,5 От 0,000 до 0,013 Твердые пластины Тонкие пластины

Дендриты

От −3,5 до −10 26–14 От 0,5 до 1,2 От 0,013 до 0,032 Твердые призмы

Полые призмы

Полые призмы

Иглы

От −10 до −22 От 14 до −8 От 1,2 до 1,4 От 0,032 до 0,038 Тонкие пластины

Твердые пластины

Секторальные тарелки

Дендриты

От −22 до −40 От −8 до −40 От 1,2 до 0,1 От 0,0324 до 0,0027 Тонкие пластины

Твердые пластины

Столбцы

Призмы

Накая обнаружил, что форма также зависит от того, находится ли преобладающая влажность выше или ниже насыщения. Формы ниже линии насыщения тяготеют к более твердым и компактным, в то время как кристаллы, образовавшиеся в перенасыщенном воздухе, имеют тенденцию к более кружевным, нежным и изысканным. Также формируются многие более сложные модели роста, которые включают в себя боковые плоскости, пули-розетки и плоские типы, в зависимости от условий и ядер льда. Если кристалл начал формироваться в режиме роста колонки при температуре около -5 ° C (23 ° F), а затем перешел в более теплый пластинчатый режим, пластинчатые или дендритные кристаллы прорастают в конце колонки, образуя так называемые «закрытые». колонны ».

Магоно и Ли разработали классификацию свежеобразованных кристаллов снега, которая включает 80 различных форм. Они задокументировали каждого с помощью микрофотографий.

Накопление

Анимация сезонной смены снега на основе спутниковых снимков.

Снег накапливается в результате серии снежных явлений, перемежающихся замораживанием и таянием, на территориях, которые достаточно холодны, чтобы удерживать снег сезонно или постоянно. Основные снежно-склонные районы включают Арктику и Антарктику , северное полушарие и альпийские регионы. Жидкий эквивалент снегопада можно оценить с помощью снегомера или стандартного дождемера , настроенного на зиму путем удаления воронки и внутреннего цилиндра. Оба типа датчиков растапливают скопившийся снег и сообщают о количестве собранной воды. На некоторых автоматических метеостанциях может использоваться ультразвуковой датчик высоты снега для увеличения количества осадков.

События

Нью-Йорк во время метели 2016 года, вызвавшей порывы ветра со скоростью до 42 миль в час (68 км / ч) и выпавшей 27,5 дюймов (70 см) снега, побив рекорд города за один день.

Снежный поток , снежный дождь , снежная буря и метель описывают снежные явления, которые становятся все более продолжительными и интенсивными. Метелью является погодными условиями с участием снега и имеет различные определения в различных частях мира. В Соединенных Штатах метель возникает при соблюдении двух условий в течение трех часов или более: продолжительного ветра или частых порывов ветра до 35 миль в час (56 км / ч) и достаточного количества снега в воздухе, чтобы уменьшить видимость до менее 0,4 км (0,25 мили). В Канаде и Великобритании критерии аналогичны. В то время как сильный снегопад часто случается в условиях метели, он не является обязательным требованием, поскольку метель может вызвать метель на земле .

Интенсивность метели можно разделить на категории по видимости и глубине скопления. Интенсивность снегопада определяется видимостью следующим образом:

  • Свет : видимость более 1 километра (0,6 мили)
  • Умеренный : ограничения видимости от 0,5 до 1 километра (от 0,3 до 0,6 мили).
  • Тяжелая : видимость менее 0,5 км (0,3 мили)

Международная классификация сезонного снега на земле определяет «высоту нового снега» , как и глубина свежевыпавшего снега, в сантиметрах , как измерена с помощью линейки, которая накапливается на сноуборде в течение периода наблюдения в течение 24 часов, или другого интервала наблюдения. После измерения снег очищается от доски, и доска кладется заподлицо со снежной поверхностью, чтобы обеспечить точное измерение в конце следующего интервала. Таяние, уплотнение, сдувание и занос усложняют измерение снегопада.

Распределение

Заснеженные деревья в Куусамо , Финляндия

Ледники с их постоянными снежными покровами покрывают около 10% поверхности земли, в то время как сезонный снег покрывает около 9%, в основном в Северном полушарии, где сезонный снег покрывает около 40 миллионов квадратных километров (15 × 10 6  квадратных миль), согласно данным 1987 года. оценивать. Оценка снежного покрова Северного полушария в 2007 г. показала, что в среднем снежный покров колеблется от минимальной протяженности в 2 миллиона квадратных километров (0,77 × 10 6  квадратных миль) каждый август до максимальной протяженности в 45 миллионов квадратных километров (17 × 10 6  квадратных миль) каждого января или почти половина поверхности суши в этом полушарии. Исследование площади снежного покрова Северного полушария за период 1972–2006 гг. Предполагает сокращение на 0,5 миллиона квадратных километров (0,19 × 10 6  квадратных миль) за 35-летний период. ^^^^

Записи

Ниже приведены мировые рекорды по снегопаду и снежинкам:

  • Самый высокий сезонный общий снегопад - Мировой рекорд по самому высокому сезонному количеству снегопадов был установлен в Соединенных Штатах на горнолыжном курорте Маунт-Бейкер , недалеко от города Беллингхэм, штат Вашингтон, в течение сезона 1998–1999 годов. На гору Бейкер выпало 2896 см (95,01 фута) снега, таким образом, превзойдя предыдущего рекордсмена, гору Рейнир , штат Вашингтон, на которую в течение сезона 1971–1972 гг. Выпало 2850 см (93,5 фута) снега.
  • Самый высокий сезонный среднегодовой снегопад . Мировой рекорд самого высокого среднего годового количества снегопадов составляет 1764 см (57,87 футов), измеренный в Сукаю Онсэн , Япония, за период 1981–2010 годов.
  • Самая большая снежинка. Согласно Книге рекордов Гиннеса , самая большая снежинка в мире упала в январе 1887 года за пределами современного Майлз-Сити , штат Монтана . Его диаметр составлял 38 см (15 дюймов).

Метаморфозы

Свежий снег начинает превращаться: на поверхности видны уплотнения ветра и заструги . На переднем плане - кристаллы инея , образованные переохлажденным водяным паром, выходящим на холодную поверхность.

После осаждения снег движется по одному из двух путей, которые определяют его судьбу: либо абляция (в основном за счет таяния), либо переход от фирна (многолетний снег) к ледниковому льду . Во время этого перехода снег «представляет собой высокопористый спеченный материал, состоящий из сплошной ледяной структуры и непрерывно связанного порового пространства, образующих вместе микроструктуру снега». Снежный покров почти всегда близок к своей температуре таяния и постоянно меняет эти свойства в процессе, известном как метаморфизм , при котором могут сосуществовать все три фазы воды, включая жидкую воду, частично заполняющую поровое пространство. Начиная с порошкообразного отложения, снег становится более зернистым, когда он начинает уплотняться под собственным весом, уносится ветром, спекается вместе и начинает цикл таяния и повторного замораживания. Водяной пар играет определенную роль, поскольку он откладывает кристаллы льда, известные как иней , в холодные, тихие условия.

Сезонный снежный покров

Со временем снежный покров может осесть под собственным весом, пока его плотность не составит примерно 30% от воды. Увеличение плотности выше этого начального сжатия происходит в основном за счет плавления и повторного замораживания, вызванного температурами выше нуля или прямым солнечным излучением. В более холодном климате снег лежит на земле всю зиму. К концу весны плотность снега обычно достигает максимум 50% воды. Снег, который сохраняется до лета, превращается в новый , зернистый снег, который был частично растоплен, повторно заморожен и уплотнен. Минимальная плотность Névé составляет 500 килограммов на кубический метр (31 фунт / куб фут), что примерно вдвое меньше плотности жидкой воды.

Фирн

Фирн - многолетний метаморфический снег.

Фирн - это снег, который держится несколько лет и перекристаллизовался в вещество, более плотное, чем névé , но менее плотное и твердое, чем ледяной лед . Фирн похожа на сахарную панировку и очень устойчива к лопатке. Его плотность обычно колеблется от 550 килограммов на кубический метр (34 фунта / куб футов) до 830 килограммов на кубический метр (52 фунта / куб футов), и его часто можно найти под снегом, который накапливается в верхней части ледника . Минимальная высота , которая фирновый скапливается на леднике называется фирном предел , фирн линии или снеговой линией .

Движение

Существует четыре основных механизма движения выпавшего снега: занос неспеянного снега, лавины скопившегося снега на крутых склонах, таяние снега во время таяния снега и движение ледников после того, как снег сохранялся в течение нескольких лет и превратился в ледниковый лед.

Дрейфующий

Снежные заносы вокруг препятствий с подветренной стороны

Когда снег рыхлый, снег уносится ветром с того места, где он изначально упал, образуя отложения глубиной до нескольких метров в отдельных местах. После прикрепления к склонам холмов, метель может превратиться в снежную плиту, что создает опасность схода лавины на крутых склонах.

Лавина

Снежная снежная лавина

Лавина (также называемая оползнем или снежным оползнем) - это быстрое движение снега по наклонной поверхности. Лавины обычно возникают в стартовой зоне из-за механического разрушения снежного покрова (лавины плиты), когда силы на снегу превышают его силу, но иногда только с постепенным расширением (снежная лавина рыхлой). После возникновения лавины обычно быстро ускоряются и увеличиваются в массе и объеме по мере уноса большего количества снега. Если лавина движется достаточно быстро, часть снега может смешаться с воздухом, образуя снежную лавину, которая является разновидностью гравитационного течения . Они происходят по трем основным механизмам:

  • Лавины плит возникают в снегу, который был отложен или повторно отложен ветром. Они имеют характерный вид снежной глыбы (плиты), вырезанной из своего окружения трещинами. На них приходится большинство смертельных случаев в глубинке.
  • Порошковые снежные лавины возникают в результате осаждения свежего сухого порошка и образуют пороховое облако, которое покрывает плотную лавину. Они могут превышать скорость 300 километров в час (190 миль в час) и массу до 10 000 000 тонн (9 800 000 длинных тонн; 11 000 000 коротких тонн); их потоки могут преодолевать большие расстояния по дну плоских долин и даже подниматься на небольшие расстояния.
  • Лавины мокрого снега представляют собой низкоскоростную взвесь снега и воды, поток которой ограничивается поверхностью дороги. Низкая скорость движения обусловлена ​​трением между скользящей поверхностью дорожки и водонасыщенным потоком. Несмотря на низкую скорость передвижения (от 10 до 40 километров в час (от 6 до 25 миль в час)), лавины мокрого снега способны генерировать мощные разрушительные силы из-за большой массы и плотности.

Таяние снега

Затопление Красной реки Севера в результате таяния снегов в 1997 г.

Многие реки, берущие свое начало в горных или высокоширотных регионах, получают значительную часть своего стока за счет таяния снегов. Это часто делает течение реки очень сезонным, что приводит к периодическим наводнениям в весенние месяцы и, по крайней мере, в засушливых горных регионах, таких как горы на западе США или большей части Ирана и Афганистана , очень низкий сток в остальное время года. Напротив, если большая часть таяния приходится на покрытые оледенением или почти покрытые оледенением районы, таяние продолжается в течение теплого сезона, а пиковые потоки приходятся на середину и конец лета.

Ледники

Ледники образуются там, где накопление снега и льда превышает абляцию. Область, в которой образуется альпийский ледник, называется цирком (корри или cwm), обычно это геологический объект в форме кресла, который собирает снег и где снежный покров уплотняется под весом последовательных слоев накапливающегося снега, образуя névé. Дальнейшее измельчение отдельных кристаллов снега и уменьшение количества воздуха, захваченного снегом, превращает его в ледяной лед. Этот ледяной лед будет заполнять цирк до тех пор, пока он не выйдет за пределы геологической уязвимости или пути эвакуации, например, через пропасть между двумя горами. Когда масса снега и льда становится достаточно толстой, она начинает двигаться из-за сочетания наклона поверхности, силы тяжести и давления. На крутых склонах это может произойти при толщине снежного льда всего 15 м (50 футов).

Наука

Ученые исследования снега на самых различных масштабов , которые включают в себя физику от химических связей и облаков ; распространение, накопление, метаморфоз и абляция снежных покровов; и вклад снеготаяния в речную гидравлику и гидрологию грунта . При этом они используют различные инструменты для наблюдения и измерения изучаемых явлений. Их выводы вносят вклад в знания, применяемые инженерами , которые адаптируют транспортные средства и конструкции к снегу, агрономами , которые занимаются вопросами доступности снеготаяния в сельском хозяйстве , и теми, кто проектирует оборудование для занятий спортом на снегу. Ученые разрабатывают и другие используют системы классификации снега, которые описывают его физические свойства в масштабах от отдельного кристалла до совокупного снежного покрова. Специализация - лавины , которые беспокоят инженеров и любителей активного отдыха.

Снежная наука исследует, как образуется снег, его распределение и процессы, влияющие на то, как снежные покровы меняются с течением времени. Ученые улучшают прогнозирование штормов, изучают глобальный снежный покров и его влияние на климат, ледники и запасы воды по всему миру. Исследование включает в себя физические свойства материала по мере его изменения, объемные свойства залегающих снежных покровов и совокупные свойства регионов со снежным покровом. При этом они используют методы наземных физических измерений для установления достоверности наземных данных и методы дистанционного зондирования для развития понимания процессов, связанных со снегом, на больших территориях.

Измерение и классификация

В полевых условиях снежные ученые часто выкапывают снежную яму для проведения основных измерений и наблюдений. Наблюдения могут описывать особенности, вызванные ветром, просачиванием воды или разгрузкой снега с деревьев. Просачивание воды в снежный покров может создавать «перья» и пруды или течь вдоль капиллярных барьеров, которые могут повторно замерзнуть в горизонтальные и вертикальные твердые ледяные образования внутри снежного покрова. Международная классификация сезонного снега на земле включает следующие параметры свойств снежных покровов: высоту снежного покрова, водный эквивалент снега, прочность снега и протяженность снежного покрова. Каждый имеет обозначение с кодом и подробным описанием. Классификация расширяет предыдущие классификации Накая и его последователей на родственные типы осадков и цитируется в следующей таблице:

Снежная яма на поверхности ледника, профилирующая свойства снега, где снег становится все более плотным с глубиной по мере того, как он превращается в лед.
Замороженные частицы осадков, относящиеся к снежным кристаллам
Подкласс Форма Физический процесс
Graupel Частицы сильно окаймленные, сферические, конические,

шестиугольная или неправильная форма

Тяжелая окантовка частиц

накопление капель переохлажденной воды

Град Ламинарная внутренняя структура, полупрозрачная

или молочная глазурованная поверхность

Рост за счет прироста

переохлажденная вода, размер:> 5 мм

Ледяная крупа Прозрачный,

в основном маленькие сфероиды

Замерзание капель дождя или повторное замерзание кристаллов или снежинок в значительной степени талого снега (мокрый снег).

Крупа или снежная крупа, покрытые тонким слоем льда (мелкий град). Размер: оба 5 мм

Иней Неровные отложения или более длинные конусы и

иглы, указывающие на ветер

Скопление мелких капель переохлажденного тумана, застывших на месте.

Если процесс продолжается достаточно долго, на поверхности снега образуется тонкая рыхлая корка.

Все они образуются в облаке, за исключением инея, который образуется на объектах, подверженных воздействию переохлажденной влаги.

Он также имеет более обширную классификацию выпавшего снега, чем те, которые относятся к воздушному снегу. Категории включают как природный, так и искусственный типы снега, описания снежных кристаллов по мере их превращения и таяния, образование инея в снежном покрове и образование в нем льда. Каждый такой слой снежного покрова отличается от соседних слоев одной или несколькими характеристиками, которые описывают его микроструктуру или плотность, которые вместе определяют тип снега и другие физические свойства. Таким образом, в любой момент времени необходимо определить тип и состояние снега, образующего слой, поскольку от них зависят его физические и механические свойства. Физические свойства включают микроструктуру, размер и форму зерен, плотность снега, содержание жидкой воды и температуру.

Спутниковые данные

Дистанционное зондирование снежного покрова с помощью спутников и других платформ обычно включает сбор многоспектральных изображений. Многогранная интерпретация полученных данных позволяет делать выводы о наблюдаемом. Наука, лежащая в основе этих удаленных наблюдений, подтверждена достоверными исследованиями реальных условий.

Спутниковые наблюдения фиксируют уменьшение площади заснеженных территорий с 1960-х годов, когда начались спутниковые наблюдения. В некоторых регионах, таких как Китай, с 1978 по 2006 год наблюдалась тенденция к увеличению снежного покрова. Эти изменения объясняются глобальным изменением климата, которое может привести к более раннему таянию и уменьшению площади покрытия. Однако в некоторых районах может наблюдаться увеличение высоты снежного покрова из-за более высоких температур в широтах к северу от 40 °. Для Северного полушария в целом среднемесячная площадь снежного покрова уменьшается на 1,3% за десятилетие.

Наиболее часто используемые методы для картирования и измерения площади снежного покрова, высоты снежного покрова и водного эквивалента снега используют несколько входных данных в видимом-инфракрасном спектре для определения наличия и свойств снега. Национальный центр данных по снегу и льду (NSIDC) использует коэффициент отражения видимого и инфракрасного излучения для расчета нормализованного разностного индекса снега, который представляет собой соотношение параметров излучения, позволяющих различать облака и снег. Другие исследователи разработали деревья решений, используя доступные данные для более точных оценок. Одной из проблем этой оценки является неоднородность снежного покрова, например, в периоды накопления или абляции, а также в лесных районах. Облачный покров препятствует оптическому определению отражательной способности поверхности, что привело к появлению других методов оценки состояния почвы под облаками. Для гидрологических моделей важно иметь непрерывную информацию о снежном покрове. Пассивные микроволновые датчики особенно ценны для временной и пространственной непрерывности, поскольку они могут отображать поверхность под облаками и в темноте. В сочетании с измерениями отражения пассивное микроволновое зондирование значительно расширяет возможные выводы о снежном покрове.

Модели

Снегопад и таяние снегов являются частью круговорота воды на Земле.

Снежная наука часто приводит к прогнозным моделям, которые включают осаждение снега, таяние снега и гидрологию снега - элементы водного цикла Земли - которые помогают описать глобальное изменение климата .

Модели глобального изменения климата (GCM) включают снег как фактор в своих расчетах. Некоторые важные аспекты снежного покрова включают его альбедо (отражательную способность падающего излучения, включая свет) и изоляционные свойства, которые замедляют скорость сезонного таяния морского льда. По состоянию на 2011 год считалось, что фаза таяния моделей снега GCM плохо работает в регионах со сложными факторами, регулирующими таяние снега, такими как растительный покров и рельеф. Эти модели обычно выводят водный эквивалент снега (SWE) некоторым образом из спутниковых наблюдений за снежным покровом. Международная классификация сезонного снега на земле определяет SWE как «глубина воды , что приведет , если масса снега растаяла полностью».

Учитывая важность таяния снегов для сельского хозяйства, гидрологические модели стока, которые включают снег в свои прогнозы, обращаются к этапам накопления снежного покрова, процессам таяния и распределению талой воды через сети водотоков и в грунтовые воды. Ключом к описанию процессов плавления являются поток солнечного тепла, температура окружающей среды, ветер и осадки. В первоначальных моделях таяния снега использовался подход «градус-день», который подчеркивал разницу температур между воздухом и снежным покровом для вычисления водного эквивалента снега, SWE. В более поздних моделях используется подход энергетического баланса, который учитывает следующие факторы для вычисления Q m , энергии, доступной для плавления. Это требует измерения массива снежного покрова и факторов окружающей среды для вычисления шести механизмов теплового потока, которые вносят вклад в Q m .

Влияние на деятельность человека

Снег влияет на человеческую деятельность в четырех основных областях: транспорт, сельское хозяйство, строительные конструкции и спорт. Большинству способов передвижения мешает снег на проезжей части. Сельское хозяйство часто полагается на снег как на источник сезонной влаги. Конструкции могут выйти из строя при снеговых нагрузках. Люди находят самые разнообразные развлечения в заснеженных ландшафтах.

Транспорт

Снег влияет на полосу отвода автомобильных дорог, аэродромов и железных дорог. У них есть общий инструмент для очистки снега - снегоочиститель . Однако применение в каждом случае разное - в то время как на проезжей части используются противообледенительные химикаты для предотвращения склеивания льда, а на аэродромах - нет; железные дороги используют абразивные материалы для улучшения сцепления с рельсовыми путями.

Шоссе

Дорожное движение застряло во время метели в Чикаго в 2011 году .
Зимние условия на шоссе Онтарио 401 в Торонто из-за снегопада .

Согласно отчету Kuemmel за 1994 год, в конце 20-го века в Северной Америке ежегодно расходовалось около 2 миллиардов долларов на содержание дорог в зимнее время из-за снегопада и других погодных явлений. В исследовании изучалась практика юрисдикций в 44 штатах США и девяти канадских провинциях. Он оценил политику, практику и оборудование, используемое для зимнего обслуживания. Было обнаружено, что аналогичные методы и прогресс преобладают в Европе.

Основное влияние снега на контакт транспортного средства с дорогой - уменьшение трения. Это можно улучшить с помощью зимних шин с протектором, предназначенным для уплотнения снега и улучшения сцепления с дорогой. Однако ключом к содержанию проезжей части, способной принимать движение во время и после снегопада, является эффективная программа защиты от обледенения, в которой используются как химикаты, так и вспашка . ФДА Руководство по практике для эффективных Противообледенительных программ подчеркивает процедуру «анти-обледенение» , которые предотвращают склеивание снега и льда на дорогу. Ключевые аспекты практики включают: понимание защиты от обледенения в свете уровня обслуживания, который должен быть достигнут на данной проезжей части, климатических условий, с которыми предстоит столкнуться, а также различных ролей противообледенительных, противообледенительных и абразивных материалов и применений, и использование «ящиков с инструментами» для защиты от обледенения, один для операций, один для принятия решений, а другой для персонала. Элементами наборов инструментов являются:

  • Операции - устраняет применение твердых и жидких химикатов с использованием различных методов, включая предварительное смачивание хлоридных солей. В нем также рассматриваются возможности вспашки, включая типы используемых снегоочистителей и отвалов.
  • Принятие решений - объединяет информацию прогноза погоды с дорожной информацией для оценки предстоящих потребностей в применении активов и оценки эффективности обработки при текущих операциях.
  • Персонал - касается обучения и развертывания персонала для эффективного выполнения программы защиты от обледенения с использованием соответствующих материалов, оборудования и процедур.

Руководство предлагает матрицы, которые учитывают различные типы снега и скорость снегопада, чтобы адаптировать приложения надлежащим и эффективным образом.

Снежные заборы , установленные с наветренной стороны проезжей части, предотвращают занос снега, заставляя переносимый ветром снег накапливаться в желаемом месте. Они также используются на железных дорогах. Кроме того, фермеры и владельцы ранчо используют снежные заборы, чтобы создать сугробы в бассейнах для готового запаса воды весной.

Авиация

Устранение обледенения самолета во время снегопада

Чтобы аэропорты оставались открытыми во время зимних штормов, взлетно-посадочные полосы и рулежные дорожки требуют уборки снега. В отличие от проезжей части, где химическая обработка хлоридом является обычной для предотвращения приклеивания снега к поверхности тротуара, использование таких химикатов обычно запрещено в аэропортах из-за их сильного коррозионного воздействия на алюминиевые самолеты. Следовательно, механические щетки часто используются для дополнения работы снегоочистителя. Учитывая ширину взлетно-посадочных полос на аэродромах, обслуживающих большие воздушные суда, для уборки снега на взлетно-посадочных полосах и рулежных дорожках используются машины с большими плугами, эшелон плужных машин или роторные снегоочистители . Для расчистки передних площадок терминалов может потребоваться 6 гектаров (15 акров) или более.

Правильно оборудованные самолеты могут летать сквозь метели по правилам полетов по приборам . Перед взлетом, во время снежной бури им требуется противогололедная жидкость, чтобы предотвратить накопление и замерзание снега и других осадков на крыльях и фюзеляжах, которые могут поставить под угрозу безопасность самолета и находящихся в нем людей. В полете самолет полагается на множество механизмов, позволяющих избежать изморози и других типов обледенения в облаках, к ним относятся пульсирующие пневматические башмаки , электротермические области, которые выделяют тепло, и жидкие антиобледенители, которые стекают на поверхность.

Железная дорога

На железных дорогах традиционно используются два типа снегоочистителей для расчистки пути: клиновой плуг , который разбрасывает снег с обеих сторон, и роторный снегоочиститель, который подходит для устранения сильных снегопадов и сильного снегопада в одну или другую сторону. До изобретения роторного снегоочистителя ок. В 1865 году потребовалось несколько локомотивов, чтобы провести клиновой плуг по глубокому снегу. После расчистки гусеницы такими плугами используется «фланец» для уборки снега между рельсами, которые находятся ниже досягаемости других типов плугов. Там, где обледенение может повлиять на контакт стали со сталью колес локомотива на рельсах, для обеспечения тяги на крутых подъемах использовались абразивные материалы (обычно песок).

На железных дорогах используются снежные навесы - сооружения, закрывающие рельсы, - чтобы предотвратить накопление сильного снега или лавин, чтобы покрыть рельсы в заснеженных горных районах, таких как Альпы и Скалистые горы .

Снегоуборочные машины для разных видов транспорта

Снежные дороги и взлетно-посадочные полосы

Снег может быть уплотнен, образуя снежную дорогу, и он может быть частью зимнего маршрута для транспортных средств, чтобы добраться до изолированных населенных пунктов или строительных объектов зимой. Снег также можно использовать в качестве несущей конструкции и поверхности взлетно-посадочной полосы, как в случае с аэродромом Феникс в Антарктиде. Заснеженная взлетно-посадочная полоса рассчитана на около 60 полетов тяжелых военных самолетов на колесах в год.

сельское хозяйство

Спутниковый снимок реки Инд: снег в Гималаях, который питает его, и сельскохозяйственные районы Пакистана, которые используют его для орошения.

Снегопад может быть полезным для сельского хозяйства, поскольку он служит теплоизолятором , сохраняя тепло Земли и защищая посевы от мороза. Некоторые сельскохозяйственные районы зависят от накопления снега зимой, который будет постепенно таять весной, обеспечивая воду для роста сельскохозяйственных культур как напрямую, так и за счет стока через ручьи и реки, которые питают оросительные каналы. Ниже приведены примеры рек, которые зависят от талой воды из ледников или сезонного снежного покрова в качестве важной части своего стока, от которого зависит ирригация: Ганг , многие из притоков которого берут начало в Гималаях и которые обеспечивают много орошения на северо-востоке Индии , река Инд. , которая берет начало в Тибете и обеспечивает водой для орошения Пакистан из быстро отступающих тибетских ледников, а также реки Колорадо , которая получает большую часть воды из сезонного снежного покрова в Скалистых горах и обеспечивает водой для орошения около 4 миллионов акров (1,6 миллиона гектаров).

Структуры

Накопление снега на крышах зданий

Снег является важным фактором нагрузок на конструкции. Для решения этих проблем европейские страны используют Еврокод 1: Воздействия на конструкции - Часть 1-3: Общие действия - Снеговые нагрузки . В Северной Америке ASCE Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures предоставляет рекомендации по снеговым нагрузкам. Оба стандарта используют методы, которые переводят максимальные ожидаемые снеговые нагрузки на грунт в расчетные нагрузки для крыш.

Крыши

Обледенение, возникающее в результате талая воды на дне снежного покрова на крыше, которое течет и повторно замерзает у карниза в виде сосулек и в результате просачивания в стену через ледяную дамбу.

Снеговые нагрузки и обледенение - две основные проблемы для крыш. Снеговые нагрузки связаны с климатом, в котором расположена конструкция. Обледенение обычно возникает в результате того, что здание или сооружение выделяет тепло, которое тает снег, находящийся на нем.

Снеговые нагрузки - Минимальные расчетные нагрузки для зданий и других конструкций содержат рекомендации о том, как преобразовать следующие факторы в снеговые нагрузки на крышу:

  • Снеговые нагрузки на грунт
  • Открытие крыши
  • Тепловые свойства кровли
  • Форма крыши
  • Дрейфующий
  • Важность здания

В нем приведены таблицы снеговых нагрузок на грунт по регионам и методика расчета снеговых нагрузок на грунт, которые могут изменяться в зависимости от высоты от близлежащих измеренных значений. В Еврокоде 1 используются аналогичные методики, начиная с снеговых нагрузок на грунт, которые сведены в таблицы для отдельных частей Европы.

Обледенение - Крыши также должны быть спроектированы таким образом, чтобы избегать образования ледяных плотин , которые возникают в результате протекания талой воды под снегом на крыше и замерзания у карниза. Ледяные плотины на крышах образуются, когда снег, скопившийся на наклонной крыше, тает и стекает по крыше под изолирующим слоем снега, пока не достигнет температуры ниже нуля, как правило, у карниза . Когда талая вода достигает замерзающего воздуха, лед накапливается, образуя плотину, а снег, который тает позже, не может должным образом стекать через плотину. Ледяные плотины могут привести к повреждению строительных материалов, повреждению или травмам при обрушении ледяной плотины или попытках удалить ледяные дамбы. Таяние происходит в результате прохождения тепла через крышу под слоем снега с хорошей изоляцией.

Коммунальные линии

На участках с деревьями электрические распределительные сети на столбах менее восприимчивы к снеговым нагрузкам, чем они подвержены повреждению от падающих на них деревьев, поваленных тяжелым мокрым снегом. В других местах снег может нарастать на линии электропередач в виде «рукавов» изморозьего льда. Инженеры проектируют такие нагрузки, которые измеряются в кг / м (фунт / фут), а у энергетических компаний есть системы прогнозирования, которые прогнозируют типы погоды, которые могут вызвать такие нарастания. Инейный лед можно удалить вручную или путем создания достаточного короткого замыкания в затронутом сегменте линий электропередач, чтобы растопить наросты.

Спорт и отдых

Горные лыжи.

Снег используется во многих зимних видах спорта и формах отдыха, включая катание на лыжах и санях . Распространенные примеры включают катание на беговых лыжах , горных лыжах , сноуборде , ходьбе на снегоступах и снегоходах . Конструкция используемого оборудования обычно зависит от прочности снега, как в случае с лыжами или сноубордами, и учитывает коэффициент трения снега, обеспечивающий скольжение, часто улучшаемый лыжными смазками .

Катание на лыжах - безусловно, самый популярный вид зимнего отдыха. По состоянию на 1994 год из примерно 65–75 миллионов лыжников во всем мире около 55 миллионов занимались горнолыжным спортом , остальные занимались беговыми лыжами . Примерно 30 миллионов лыжников (всех категорий) были в Европе, 15 миллионов в США и 14 миллионов в Японии. По имеющимся данным, в 1996 году насчитывалось 4500 горнолыжных курортов, 26000 подъемников и 390 миллионов лыжников, посещающих их в год. Преобладающим регионом для катания на горных лыжах была Европа, за ней следуют Япония и США.

Горнолыжные курорты все чаще полагаются на оснежение , производство снега путем нагнетания воды и сжатого воздуха через снежную пушку на горнолыжных склонах. Оснежение в основном используется в качестве дополнения к естественному снегу на горнолыжных курортах . Это позволяет им повысить надежность снежного покрова и продлить лыжный сезон с поздней осени до ранней весны. Производство снега требует низких температур. Пороговая температура для оснежения увеличивается с понижением влажности. В качестве метрики используется температура по влажному термометру, поскольку она учитывает температуру воздуха и относительную влажность. Снежное производство - относительно дорогостоящий процесс с точки зрения энергопотребления, что ограничивает его использование.

Лыжный воск увеличивает способность лыж или других бегунов скользить по снегу, которая зависит как от свойств снега, так и от лыж, и приводит к оптимальному количеству смазки за счет таяния снега за счет трения о лыжу - слишком мало и лыжи взаимодействуют с твердыми кристаллами снега, слишком много и капиллярное притяжение талой воды замедляет катание. Прежде чем лыжа сможет скользить, она должна преодолеть максимальное значение статического трения. Кинетическое (или динамическое) трение возникает, когда лыжа движется по снегу.

Военное дело

Снег влияет на ведение боевых действий зимой, в альпийских условиях или в высоких широтах. Основными факторами являются ухудшенная видимость для обнаружения целей во время падающего снега, улучшенная видимость целей на заснеженном фоне для наведения на цель и мобильность как механизированных, так и пехотных войск. Снегопад также может серьезно затруднить логистику снабжения войск . Снег также может служить укрытием и укреплением от огня стрелкового оружия. Известные кампании зимних боевых действий, в ходе которых на операции повлиял снег и другие факторы, включают:

  • Французское вторжение в Россию , где плохие условия тяговые для плохо подкованных лошадей затруднило для вагонов снабжения , чтобы идти в ногу с войсками. Эта кампания также сильно пострадала от холода, в результате чего отступающая армия достигла реки Неман в декабре 1812 года с лишь 10 тысячами из 420 тысяч, которые отправились вторгнуться в Россию в июне того же года.
  • Зимняя война , попытка Советского Союза принять территорию Финляндии в конце 1939 продемонстрировали превосходных зимних тактики финской армии , о чрезмерной подвижности снега, камуфляж , и использовании рельефа местности.
  • Битва в Арденнах , немецкого контрнаступления во время Второй мировой войны , начиная с 16 декабря 1944 года, был отмечен тяжелыми метелей , что препятствует союзные воздушной поддержки наземных войск, но и обесцененные немецкие попытки поставляющих линии фронта. На Восточном фронте во время нацистского вторжения в Россию в 1941 году в ходе операции «Барбаросса» как русским, так и немецким солдатам пришлось выдержать ужасные условия русской зимы . В то время как лыжная пехота была обычным явлением в Красной армии, Германия сформировала только одну дивизию для передвижения на лыжах.
  • Корейская война , которая длилась с 25 июня 1950 года до перемирия 27 июля 1953 года началось , когда Северная Корея вторглась в Южную Корею . Большая часть боевых действий происходила в зимних условиях, в том числе со снегом, особенно во время битвы при Чосинском водохранилище , которая была ярким примером холода, влияющего на военные операции, особенно на транспортные средства и оружие.
Боевые действия в снегу

Воздействие на экосистемы

Водоросли Chlamydomonas nivalis , которые размножаются в снегу, образуют красные участки в солнечных чашах на этой снежной поверхности.

И растения, и животные, эндемичные для заснеженных территорий, находят способы адаптироваться. Среди приспособительных механизмов растений - покой, сезонное отмирание, приживаемость семян; а для животных - это спячка, изоляция, химическая защита от замерзания, хранение пищи, использование резервов изнутри тела и группирование для взаимного тепла.

Растительная жизнь

Снег взаимодействует с растительностью двумя основными способами: растительность может влиять на осаждение и удержание снега и, наоборот, наличие снега может влиять на распределение и рост растительности. Ветви деревьев, особенно хвойных, задерживают падающий снег и предотвращают его скопление на земле. Снег, взвешенный на деревьях, уносится быстрее, чем на земле, из-за того, что он больше подвержен воздействию солнца и движения воздуха. Деревья и другие растения также могут способствовать удержанию снега на земле, который в противном случае был бы унесен ветром или растоплен солнцем. Снег влияет на растительность по-разному, наличие накопленной воды может способствовать росту, но ежегодное начало роста зависит от ухода снежного покрова для тех растений, которые погребены под ним. Кроме того, лавины и эрозия в результате таяния снегов могут размывать растительность.

Жизнь животных

Песец , хищник мелких животных, обитающих под снегом.

Снег поддерживает множество животных как на поверхности, так и под ней. Многие беспозвоночные обитают в снегу, включая пауков , ос , жуков , снежных скорпионов и коллембол . Такие членистоногие обычно активны при температурах до -5 ° C (23 ° F). Беспозвоночные делятся на две группы в отношении выживания при отрицательных температурах: устойчивые к замораживанию и те, которые избегают замерзания, потому что они чувствительны к замораживанию. Первая группа может быть морозоустойчивой из-за способности производить антифризы в жидкостях своего тела, что позволяет выжить при длительном воздействии в условиях ниже нуля. Некоторые организмы голодают зимой, из-за чего из пищеварительного тракта выводится чувствительное к замерзанию содержимое. Способность пережить отсутствие кислорода во льду - дополнительный механизм выживания.

Под снегом активны мелкие позвоночные . Среди позвоночных альпийские саламандры активны в снегу при температурах до -8 ° C (18 ° F); весной они вырываются на поверхность и откладывают яйца в талых прудах. Среди млекопитающих, которые остаются активными, обычно меньше 250 граммов (8,8 унции). Всеядные животные с большей вероятностью впадут в оцепенение или впадут в спячку , тогда как травоядные с большей вероятностью сохранят тайники с едой под снегом. Полевки хранят до 3 кг (6,6 фунта) пищи, а пищухи - до 20 кг (44 фунта). Полевки также прячутся в общих гнездах, чтобы получить удовольствие от тепла друг друга. На поверхности волки , койоты , лисы , рыси и ласки полагаются на этих подземных обитателей в поисках пищи и часто ныряют в снежный покров, чтобы найти их.

Вне Земли

Внеземной «снег» включает осадки на основе воды, а также осадки других соединений, преобладающие на других планетах и ​​лунах Солнечной системы . Примеры:

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки